CZ2005396A3

CZ2005396A3 - Mikropásková flícková anténa a jednobodové napájení pro tento záric

Info

Publication number: CZ2005396A3
Application number: CZ20050396A
Authority: CZ
Inventors: Holub@Alois; Polívka@Milan
Original assignee: Ceské vysoké ucení technické v Praze Fakulta elektrotechnická
Priority date: 2005-06-17
Filing date: 2005-06-17
Publication date: 2006-08-16
Also published as: AT502159B1; CZ296985B6; AT502159A3; AT502159A2; DE102006027632A1; SK50542006A3

Abstract

Mikropásková flícková anténa je tvorena vodivou zemní plochou (1) a vodivým motivem (2) zárice, kderozmer zemní plochy (1) je vetsí nez rozmer tohoto motivu (2) zárice a vzdálenost motivu (2) záricenad zemní plochou (1) je typicky v rozmezí 0,01 -0,1 .lambda.g, kde .lambda.g je vlnová délka na daném substrátu. Prostor mezi zemní plochou (1) a motivem (2) zárice je vyplnen vzduchem, prípadne dielektrickým substrátem. V motivu (2) zárice je vytvorena alespon jedna sterbina (3) umístená symetricky vzhledem ke stredu tohoto motivu (2) zárice, která má délku v rozmezí 0,4 az 0,5 .lambda.g a jejíz sírka lezí v rozmezí 0,005 az 0,1.lambda.g. Vzdálenost podélné osy sterbiny (3) lezící u horního respektive dolního okraje motivu (2) ve smeru osy y je v rozmezí 0,4 az 0,6 .lambda.g od daného okraje motivu (2) a vzdálenost prícné osy sterbiny (3)vytvorené u levého respektive pravého okraje motivu (2) ve smeru osy x lezí od daného okraje ve vzdálenosti 0,35 az 0,45 .lambda.g. Jednobodové napájení mikropáskové flíckové antény je vytvoreno tak,ze spodní strana motivu (2) je opatrena dielektrickým substrátem (6), na kterém je umísteno mikropáskové vedení (7) presahující v prícné ose jednu sterbinu (3), a to s presahem maximálne 0,5 .lambda.g. Puvodní vodivá zemní plocha (1) je pro mikropáskové vedení (7) deskou stínící a pro motiv zárice deskou odraznou. Motiv (2) zárice tvorí zemní rovinu mikropáskovému vedení (7) po pripojení vnejsíhovodice napájecího konektoru, jehoz strední vodic je spojen s mikropáskovým vedením (7).

Description

Předkládané řešení se týká vytvoření novéhe- mikropáskové flíčkové antény, vykazujícítato velký zisk a nové varianty j^o napájení.

Dosavadní stav techniky

Vzhledem ktomu, že výsledkem předkládaného řešení je vysokoziskový mikropáskový zářič, tedy anténa, je dosavadní známý stav techniky vztažen právě k těmto typům zářičů. Antény s velkým ziskem se v principu realizují buď pomocí anténních řad, tedy soustav jednotlivých zářičů, napájených pomocí sítě napájecích vedení,nebo pomocí antén s velkou zářící plochou.

Anténní řady mohou být složeny ze zářičů různých typů, a to například liniových jako jsou Yagi-Uda antény, plošných, které představují mikropáskové flíčkové antény nazývané v anglické literatuře patch antenne, či štěrbinových realizovaných vlnovody, opatřenými ve stěně štěrbinami. Do této kategorie patří i tzv. Franklinova anténa, což je soustava sériově zapojených půlvlnných dipólů, tak zvaná kolineární řada dipólů, jejichž propojení je tvořeno buď indukčnost^nebo čtvrtvlnnými pahýly. Toto propojení zajišťuje soufázové napájení všech dipólů, čímž je zajištěno příčné vyzařování s úzkým hlavním svazkem diagramu záření. Anténní řady se napájejí zpravidla paralelně nebo sériově napájecími vedeními tvořícími napájecí síť. Nevýhodou tímto způsobem napájených anténních řad je nutnost realizovat napájecí síť. Napájení může být i jednobodové, např. u štěrbinové vlnovodné antény, kdy je uvnitř vlnovodu vytvořena stojatá vlna, která je vyzařována štěrbinami vyříznutými ve stěně vlnovodu, avšak toto řešení má nevýhodu vtom, že vlnovod má vyšší hmotnost a je výrobně složitější.

Další princip zvýšení zisku antény využívá principu velkých zářících ploch, vztaženo k délce použité elektromagnetické vlny, které pracují buď na principu

Ί 1 ř 1 ί J i i > i » > » i 5 ;

’ ,F fokusace vyzařované elektromagnetické vlny v soustavě ozařovač - reflektor, což jsou například parabolické reflektorové antény, nebo na principu fokusace ozařovač - čočka, což představují čočkové antény, tj. dielektrické nebo kovové čočky. Tyto antény patří do třídy tzv. aperturových antén. Ozařovač je jednobodově napájen napájecím vedením, a to buď koaxiálním, vlnovodným, případně jinými typy vysokofrekvečních vedení. Nevýhodou vysokoziskových aperturových antén je, že jejich rozměry jsou třídimenzionální ve smyslu, že jde o zařízení zaujímající prostor srovnatelně ve všech třech dimenzích.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky odstraňuje mikropáskova flíčková anténa s jednobodovým napájením podle předkládaného řešení, tvořené vodivou zemní plochou a vodivým motivem zářiče, kde rozměr zemní plochy je větší než rozměr 0(2’ motivu zářiče a vzdálenost motivu nad zemni plochou je typicky v rozmezí 0,01 0,1

Ag, kde Ag je vlnová délka na daném substrátu, a kde prostor mezi zemní plochou a motivem zářičem je vyplněn vzduchem, případně dielektrickým substrátem. Jeho podstatou je, že v motivu zářiče je vytvořena alespoň jedna štěrbina, která je umístěná symetricky vzhledem ke středu tohoto vodivého zářiče. Tato štěrbina respektive štěrbiny mají v závislosti na šířce štěrbiny délku v rozmezí 0,3 až 0,5 Ag a šířku od 0,005 do 0,1 Ag v závislosti na použitém dielektrickém substrátu mezi zářičem a zemní plochou. Vzdálenost podélné osy štěrbiny respektive štěrbin ležících nejblíže k dolnímu a hornímu okraji motivu leží od těchto okrajů ve směru osy y v rozmezí 0,4 až 0,6 Ag. Vzdálenost příčné osy štěrbiny respektive štěrbin ležících nejblíže k levému a pravému okraji motivu leží od těchto okrajů ve směry osy x v rozmezí 0,35 až 0,45 Ag. V nejjednodušším provedení je tedy vytvořena jediná štěrbina se středem ve středu motivu zářiče, která splňuje výše uvedené podmínky vzdálenosti její podélné a příčné osy od příslušných okrajů motivu.

V jednom z možných provedení jsou v kovovém zářiči vytvořeny alespoň dvě štěrbiny, které jsou uspořádány do alespoň jedné řady a/nebo do alespoň jednoho sloupce. Podélné osy štěrbin uspořádaných v jedné řadě leží na společné přímce a příčné osy štěrbin uspořádaných v jednom sloupci leží na společné přímce. Středy · ' 3 1 < t

I !3 ·.

I i , i ) ϊ 5 1 >

i > ) i i 3 ) štěrbin tvoří pravidelnou síť a jejich rozteč ve směru osy x i ve směru osy y je stejná, a to v rozmezí 0,7 až 0,9 Ag. Vzdálenost podélných os štěrbin ležících u horního a dolního okraje motivu ve směru osy y je v rozmezí 0,4 až 0,6 Ag od daného okraje motivu. Vzdálenost příčných os štěrbin vytvořených u levého a pravého okraje motivu ve směru osy x leží od daného okraje ve vzdálenosti 0,35 až 0,45 Ag.

V dalším možném uspořádání je každá z řad tvořených alespoň jednou štěrbinou ukončená na obvodu motivu zářiče z každé strany jedním zářezem. Ústí těchto zářezů leží na hraně motivu zářiče. Délka zářezů je v rozmezí 0,15 až 0,25 Ag a jejich šířka je rovna šířce štěrbiny. Podélné osy štěrbin a zářezů jsou podél osy x umístěny na přímce a středy štěrbin a středy ústí zářezů (4) tvoří pravidelnou síť, kdy jejich rozteč podélně ve směru osy x i příčně ve směru osy y je stejná, a to v rozmezí 0,7 až 0,9 Ag. Vzdálenost podélných os štěrbin a zářezů ležících u dolního a horního okraje motivu ve směru osy y od krajů motivu leží v rozmezí 0,4 až 0,6 Ag od daného okraje motivu.

Další možné výhodné provedení napájení zářiče, kromě koaxiálního napájení, je prostřednictvím mikropáskového vedení. Toto jednobodové napájení je vytvořeno tak, že spodní strana motivu je opatřena dielektrickým substrátem, na kterém je umístěno mikropáskové vedení přesahující v příčné ose jednu štěrbinu, a to s přesahem maximálně 0,5 Ag. Po připojení vnějšího vodiče napájecího konektoru k motivu zářiče a středního vodiče konektoru k mikropáskovému vedení, tvoří motiv zemní plochu mikropáskovému vedení. Původní vodivá zemní plocha umístěná pod dielektrickým substrátem má vzhledem k mikropáskovému napájení funkci stínící a vzhledem k motivu zářiče funkci odraznou.

Výhodou tohoto způsobu napájení je fakt, že odrazná deska nemusí být spojena s vnějším vodičem napájecího konektoru/kabelu. Vzdálenost odrazné desky může být větší než jsou rozměry dostupných vf konektorů. Další výhoda spočívá v tom, že odrazná deska nemusí být konstruována současně se zářícím motivem. Anténou se stává zářící motiv s napájecím mikropáskovým vedením až po umístění do příslušné vzdálenosti nad vodivou plochu.

Uvedený zářič v sobě kombinuje rysy anténní řady, tedy více samostatných zdrojových oblastí se soufázovými proudovými hustotami, a jednotlivého zářiče s jednobodovým napájením. Výhodou je tedy jednobodové napájení například pomocí koaxiálního napájecího vedení nebo způsobem podle tohoto řešení a v závislosti na počtu štěrbin a zářezů v motivu zářiče až několikanásobně větší zisk než vykazuje klasická mikropásková flíčková anténa rozměrů přibližně 0,75 Ag x 0,5 Ag. Další výhodou je, že se jedná o planární typ antény, tj. třetí rozměr antény, výška zářiče, je řádově desetinásobně menší než zbylé dva rozměry, šířka a délka.

Přehled obrázků na výkresech

Předkládané řešení bude dále popsáno pomocí přiložených výkresů. Na obr.1 je schematicky uveden příklad mikropáskové flíčkové antény se dvěma řadami tvořenými jednou štěrbinou a dvěma krajovými zářezy. Na obr.2 je znázorněno jakým způsobem lze vytvořit jiné varianty tohoto zářiče. Některé typy nových variant zobrazují schematicky obr.3 až 5. Na obr.6 a 7 je pak znázorněn nový způsob napájení uvedené mikropáskové flíčkové antény.

Příklady provedení vynálezu

Příklad řešení mikropáskové flíčkové antény podle předkládaného řešení je schematicky naznačen na obr.1. Tento zářič se skládá z vodivé zemní plochy i, realizované například pomocí zemní desky s nenulovou tloušťkou, jejíž rozměr je větší než rozměr vodivého motivu 2 zářiče, který je umístěn zpravidla zlomek vlnové délky nad zemní plochou 1, typicky ve vzdálenosti 0,01 - 0,1 Ag, kde Ag je vlnová délka na daném substrátu. Prostor mezi zemní plochou i a motivem 2 je vyplněn vzduchem, případně dielektrickým substrátem. V motivu 2 jsou v daném příkladě uspořádány symetricky kolem jeho středu dvě rovnoběžné řady, z nichž každá je tvořena jednou štěrbinou 3 a dvěma krajními zářezy 4 umístěnými u obvodu motivu 2 zářiče. Je samozřejmé, že lze vytvořit analogické uspořádání, kdy mezi zářezy 4 bude vytvořeno více štěrbin 3. Štěrbiny 3 mají v závislosti na jejich šířce délku v rozmezí 0,3 až 0,5 Ag a šířku typicky od 0,005 do 0,1 Ag v závislosti na použitém dielektrickém substrátu mezi motivem 2 zářiče a zemní plochou T Je nutné, aby součet délek nejbližších linií proudové hustoty obtékajících štěrbinu 3 byl Ag. Ústí ) · 1 j ί ) 1 i . - i » '» i i )

I > > i i > i zářezů 4 leží na hraně motivu 2 zářiče. Zářezy 4 mají délku ležící v rozmezí 0,15 až 0,25 Ag a šířku typicky od 0,005 do 0,1 Ag. Podélné osy zářezů 4 a štěrbin 3 jsou podél osy x umístěny na přímce. Středy štěrbin 3 a středy ústí zářezů 4 tvoří pravidelnou síť a jejich rozteč podélně, tedy ve směru osy x, i příčně, to je ve směru osy y, je v rozmezí 0,7 až 0,9Ag. Vzdálenost podélných os štěrbin 3 a zářezů 4 ležících u dolního a horního okraje motivu 2 ve směru osy y od krajů motivu 2 leží v rozmezí 0,4 až 0,6 Ag od daného okraje motivu 2.

Pro případ, kdy je zářič tvořen pouze štěrbinami 3 bez zářezů 4 platí, že vzdálenost podélných os štěrbin 3 ležících u horního a dolního okraje motivu 2 ve směru osy y je v rozmezí 0,4 až 0,6 Ag od daného okraje motivu 2 a vzdálenost příčných os štěrbin 3 vytvořených u levého a pravého okraje motivu 2 ve směru osy x leží od daného okraje ve vzdálenosti 0,35 až 0,45 Ag.

Další tři varianty vytvoření motivu 2 zářiče jsou uvedeny na obr. 3 až 5, přičemž jejich vznik demonstruje obr. 2. Tyto varianty zářičů vzniknou rozdělením motivu 2 zářiče z obr. 1 přibližně v místech vyznačených čárkovanými čarami, které procházejí mezi štěrbinami 3 (viz obr. 2). Vzniknou tak následující motivy 2 zářičů. Vodivý zářič s jednou štěrbinou 3, jak ukazuje obr.3, se dvěma nad sebou umístěnými štěrbinami 3 dle obr.4 a s jednou řadou tvořenou podélně vedle sebe umístěnou jednou štěrbinou 3 a dvěma krajovými zářezy 4. Šipky v motivech 2 zářiče uvedené na obr. 3 až 5 představují vektorové znázornění povrchové proudové hustoty při buzení napájecího kolíku vysokofrekvenčním signálem.

Jednou z možností, jak uvedený vodivý zářič napájet, je jednobodové koaxiální napájení. V tomto případě je s motivem 2 vodivě spojen napájecí kolík 5, který je tvořen středním vodičem vysokofrekvenčního koaxiálního napájecího konektoru připevněném vodivě vnějším vodičem zespoda k zemní ploše i. Kolík 5 je umístěn na ose y symetrie mezi štěrbinami 3, ve vzdálenosti cca Ag/8 od spodní z nich.

Jinou možností napájení zářiče kromě koaxiálního napájení je prostřednictvím mikropáskového vedení. V tomto případě pak je spodní strana motivu 2 opatřena dielektrickým substrátem 6, na kterém je umístěno mikropáskové vedení 7. Toto mikropáskové vedení 7 přesahuje v příčné ose jednu štěrbinu 3, a to s přesahem maximálně 0,5 Ag. Původní vodivá zemní plocha i umístěná pod motivem 2 přebírá nyní vzhledem k mikropáskovému vedení 7 funkci stínící a vzhledem k motivu 2 zářiče funkci odraznou. Motiv 2 zářiče tvoří zemní plochu mikropáskovému vedení 7 po připojení vnějšího vodiče napájecího konektoru, jehož střední vodič je spojen s mikropáskovým vedením 7. Štěrbina 3 budí příslušné rozložení elektromagnetického pole mezi motivem 2 zářiče a odraznou deskou tvořenou nyní zemní plochou i, přičemž vyzařování celé struktury je příčné, tj. ve směru normály k motivu 2 zářiče.

Tento způsob napájení je nejblíže podobný napájení vazební štěrbinou, která je však umístěna v zemní ploše, ležící mezi motivem a mikropáskovým vedením. Při napájení vazební štěrbinou však není motiv zářiče zároveň zemní plochou mikropáskového vedení jako je tomu u navrhovaného řešení. Výhodou tohoto způsobu napájení je fakt, že odrazná deska nemusí být spojena s vnějším vodičem napájecího konektoru/kabelu. Vzdálenost odrazné desky může být větší než jsou rozměry dostupných vf konektorů. Další výhoda spočívá v tom, že odrazná deska nemusí být konstruována současně se zářícím motivem 2. Anténou se stává zářící motiv 2 s napájecím mikropáskovým vedením 7 až po umístění do příslušné vzdálenosti nad vodivou zemní plochu t

Uvedený zářič v sobě kombinuje rysy anténní řady, tedy více samostatných zdrojových oblastí se soufázovými proudovými hustotami, a jednotlivého zářiče s jednobodovým napájením. Výhodou je tedy jednobodové napájení například pomocí koaxiálního napájecího vedení a v závislosti na počtu štěrbin a zářezů v motivu zářiče až několikanásobně větší zisk než klasická mikropásková flíčková anténa rozměrů přibližně 0,75 Ag x 0,5 Ag. Další výhodou je, že se jedná o planární typ antény, tj. třetí rozměr antény, výška zářiče, je řádově desetinásobně menší než zbylé dva rozměry, šířka a délka.

Výše popsaná mikropásková flíčková anténa pracuje následujícím způsobem.

Štěrbiny 3 a zářezy 4 umístěné ve výše uvedených roztečích, tvoří tzv. poruchové prvky, tedy přerušení motivu 2 zářiče, které narušují povrchovou proudovou hustotu na povrchu motivu 2 zářiče. Uvedené poruchové prvky eliminují vyzařování > 7 z protifázových půlvln povrchové proudové hustoty, to znamená sudých půlvln, počítáno shora či zdola ve směru osy y, na motivu 2 zářiče. Tyto sudé půlvlny proudové hustoty obtékají poruchové prvky a proudy tekoucí protisměrně na protilehlých stranách štěrbin 3 vzájemně ruší své příspěvky k vyzářenému poli. Na vyzařování se pak podílí dominantně liché půlvlny povrchové proudové hustoty, které jsou ve fázi. Důsledkem toho je úzce směrová charakteristika celého zářiče, který vykazuje vyšší zisk než klasická jednoduchá mikropásková flíčková anténa. Popsané rozložení povrchové proudové hustoty odpovídá módům elektromagnetického pole TM_Oy, kde y je liché přirozené číslo a označuje počet proudových půlvln ve směru osy y. Vysokoziskové mikropáskové flíčkové antény jsou principem své činnosti plošnou obdobou liniové antény Franklinovy.

Průmyslová využitelnost

Předkládané řešení je využitelné pro jednobodové vysokoziskové flíčkové antény pro zařízení používající k činnosti vysílaní/příjem elektromagnetických vln.

Claims

1. Mikropásková flíčková anténa tvořená vodivou zemní plochou a vodivým motivem zářiče, kde rozměr zemní plochy je větší než rozměr tohoto motivu zářiče a vzdálenost motivu zářiče nad zemní plochou je no?

typicky v rozmezí 0,01 V 0,1 Ag, kde Ag je vlnová délka na daném substrátu, a kde prostor mezi zemní plochou a motivem zářiče je vyplněn vzduchem, případně dielektrickým substrátem, vyznačující se tím, že v motivu (2) zářiče je vytvořena alespoň jedna štěrbina (3) umístěná symetricky vzhledem ke středu tohoto motivu (2) zářiče, která má délku v rozmezí 0,4 až 0,5 Ag a jejíž šířka leží v rozmezí 0,005 až 0,1 Ag a kde vzdálenost podélné osy štěrbiny (3) ležící u horního respektive dolního okraje motivu (2) ve směru osy y je v rozmezí 0,4 až 0,6 Ag od daného okraje motivu a vzdálenost příčné osy štěrbiny (3) vytvořené u levého respektive pravého okraje motivu (2) ve směru osy x leží od daného okraje ve vzdálenosti 0,35 až 0,45 Ag.

2. Mikropásková flíčková anténa podle nároku 1, vyznačující se tím, že alespoň dvě štěrbiny (3) jsou uspořádány do alespoň jedné řady a/nebo do alespoň jednoho sloupce, kde podélné osy těchto nejméně dvou štěrbin (3) uspořádaných v jedné řadě leží na společné přímce a/nebo příčné osy těchto nejméně dvou štěrbin (3) uspořádaných v jednom sloupci leží na společné přímce, přičemž středy štěrbin (3) tvoří pravidelnou síť a jejich rozteč ve směru osy x i ve směru osy y je stejná, a to v rozmezí 0,7 až 0,9 Ag a kde vzdálenost podélných os štěrbin (3) vytvořených u dolního a horního okraje motivu (2) ve směru osy y od okrajů motivu (2) leží v rozmezí 0,4 až 0,6 Ag od daného okraje motivu (2) a vzdálenost příčných os štěrbin (3) vytvořených u levého a pravého okraje motivu (2) ve směru osy x leží od daného okraje ve vzdálenosti 0,35 až 0,45 Ag.

3. Mikropásková flíčková anténa podle nároku 1 nebo vyznačující se tím, že každá z řad tvořených alespoň jednou štěrbinou (3) je ukončená f 5ΐ ί :

I 1 > I ϊ - : ί 'Í , ϊ '5 .

_ J í i ; j 5 ί

9 > ,, ;·, >, na obvodu motivu (2) zářiče z každé strany jedním zářezem (4), jejichž ústí leží na hraně motivu (2) zářiče a jejichž délka je v rozmezí 0,15 až 0,25 Ag a šířka je rovna šířce štěrbiny (3), přičemž podélné osy štěrbin (3) a zářezů (4) jsou podél osy x umístěny na přímce a středy štěrbin (3) a středy ústí zářezů (4) tvoří pravidelnou síť, kdy jejich rozteč podélně ve směru osy x i příčně ve směru osy y je stejná, a to v rozmezí 0,7 až 0,9 Ag a vzdálenost podélných os štěrbin (3) a zářezů (4) ležících u dolního a horního okraje motivu (2) ve směru osy y od krajů motivu (2) leží v rozmezí 0,4 až 0,6 Ag od daného okraje motivu (2).

4. Jednobodové napájení mikropáskové flíčkové antény podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že spodní strana motivu (2) je opatřena dielektrickým substrátem (6), na kterém je umístěno mikropáskové vedení (7) přesahující v příčné ose jednu štěrbinu (3), a to s přesahem maximálně 0,5 Ag, přičemž původní vodivá zemní plocha (1) je pro mikropáskové vedení (7) deskou stínící a pro motiv zářiče deskou odraznou a motiv (2) zářiče tvoří zemní plochu mikropáskovému vedení (7) po připojení vnějšího vodiče napájecího konektoru, jehož střední vodič je spojen s mikropáskovým vedením (7).

J v íX.t-/V