PL218547B1

PL218547B1 - Mikropaskowa antena sektorowa o szerokim kącie promieniowania

Info

Publication number: PL218547B1
Application number: PL384512A
Authority: PL
Inventors: Przemysław Fert
Original assignee: Fert Przemysław Elboxrf
Priority date: 2007-11-14
Filing date: 2007-11-14
Publication date: 2014-12-31
Also published as: WO2009064209A1; PL384512A1; EP2215690A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest mikropaskowa antena sektorowa zawierająca metalową strukturę mikropaskową utworzoną z połączonych elementów promieniujących, pod którą znajduje się pierwsza warstwa dielektryczna oraz metalowa warstwa uziemiona, oraz druga warstwa dielektryka stałego odizolowana od struktury mikropaskowej i znajdująca się powyżej przewodzącej warstwy uziemionej.

Ze stanu techniki znanych jest wiele mikropaskowych anten sektorowych o wielu różniących się układach elementów promieniujących i o różnej szerokości wiązki głównej (ang. main lobe). Szerokość tą definiuje się zwykle jako wartość kąta zawartego pomiędzy punktami wiązki głównej promieniowania anteny, dla których natężenie pola elektromagnetycznego spada do poziomu -3 dB względem wartości maksymalnej, stanowiącej wartość odniesienia. Kąt ten nazywany jest również podwojonym kątem połowy mocy (ang. HaIf Power Beam Width - HPBW).

Najbardziej popularnymi klasami mikropaskowych anten sektorowych są anteny o wartościach HPBW wynoszących 90 oraz 120°, przy czym uzyskiwane w praktyce szerokości wiązek dla tych anten wynoszą odpowiednio około 85 i 115°. Przykładową charakterystykę mikropaskowej znanej ze stanu techniki anteny sektorowej z typoszeregu anten 90-stopniowych przedstawiono na rysunku fig. 3. Jak widać, praktyczna wartość HPBW dla takiej anteny wynosi około 78°.

Zaprojektowanie odpowiedniej struktury elementów promieniujących pozwalającej na skonstruowanie sektorowej anteny mikropaskowej o wysokich parametrach roboczych wymaga zarówno dużego nakładu pracy twórczej, jak i wiedzy specjalistycznej. Stosunkowo najprostsze do zaprojektowania są anteny 90-stopniowe, których promieniująca struktura mikropaskowa składa się z jednej kolumny najczęściej jednakowych elementów (ang. patch) promieniujących, najczęściej w kształcie wielokątów lub kół. W przypadku anten 120-stopniowych struktura mikropaskowa jest zwykle o wiele bardziej skomplikowana i obejmuje najczęściej co najmniej trzy kolumny elementów promieniujących, przy czym wszystkie kolumny zasilane są z jednego gniazda, zaś prądy w poszczególnych kolumnach są względem siebie przesunięte w fazach.

Jednym z powszechnie stosowanych sposobów projektowania anten 120-stopniowych jest przeprojektowywanie anten 90-stopniowych, obejmujące między innymi zwielokrotnienie liczby kolumn elementów promieniujących przy jednoczesnym uwzględnieniu wpływu takiego zwielokrotnienia na parametry elektromagnetyczne układu. Choć proces ten jest prostszy od projektowania anteny 120-stopniowej od podstaw, jednak z uwagi na relatywnie skomplikowaną topologię struktury mikropaskowej i tak wymaga od wykwalifikowanego specjalisty dużego nakładu pracy twórczej.

W japońskim zgłoszeniu patentowym nr JP 2004 242 070 ujawniono sektorową antenę mikropaskową mającą płytkę antenową, na której górnej powierzchni znajdują się rozmieszczone w ustalonych odległościach elementy promieniujące, mające przykładowo kształt kół lub prostokątów, pod którą znajduje się druga płytka uziemiona. Dla obniżenia poziomu mocy wiązek bocznych charakterystyki promieniowania anteny i zapewnienia dobrej komunikacji międzyantenowej na niewielkie odległości nawet wtedy, gdy antena jest przykryta, w pewnej odległości nad płytką antenową, wynoszącej od 0,406 do 0,445 długości fali anteny, znajduje się dielektryczna pokrywa, chroniąca płytkę antenową przed bezpośrednim promieniowaniem, deszczem bądź śniegiem.

Celem wynalazku jest dostarczenie sektorowej anteny mikropaskowej pozwalającej na zwiększenie szerokości wiązki głównej mocowej charakterystyki kierunkowej promieniowania anteny, a zwłaszcza anteny mikropaskowej mającej strukturę mikropaskową zaprojektowaną dla anteny 90-stopniowej, która pozwalałaby na znaczne zwiększenie podwojonego kąta połowy mocy takiej anteny.

Istotą wynalazku jest mikropaskowa antena sektorowa charakteryzująca się tym, że nad strukturą mikropaskową w odległości zawierającej się w przedziale od 0,04 do 0,4 długości fali anteny znajduje się druga warstwa dielektryczna.

Nieoczekiwanie okazało się, że dodatkowa druga warstwa dielektryczna pozwala na znaczne zwiększenie podwojonego kąta połowy mocy takiej anteny, przy wykorzystaniu powszechnie dostępnych materiałów. W szczególności wynalazek pozwala na zwiększenie szerokości wiązki głównej zwykłej anteny 90-stopniowej do wartości około 120° poprzez jej proste wyposażenie w drugą warstwę dielektryczną.

Długość fali anteny (λο) należy według wynalazku rozumieć jako długość fali elektromagnetycznej w przestrzeni swobodnej dla częstotliwości roboczej (fo) anteny. Przykładowo, dla anteny sektorowej o częstotliwości roboczej równej 5,5 GHz, długość fali wynosi w przybliżeniu 55 mm.

PL 218 547 B1

Ponadto, korzystne jest, aby szerokość drugiej warstwy dielektrycznej była co najmniej dwukrotnie większa od szerokości struktury mikropaskowej. Zapewnia to dodatkowe zwiększenie szerokości wiązki głównej anteny.

Szerokość struktury mikropaskowej należy przy tym rozumieć jako szerokość pomiędzy zewnętrznymi krawędziami skrajnych elementów promieniujących struktury.

Korzystne jest, aby w skład drugiej warstwy dielektrycznej wchodziła co najmniej jedna płytka dielektryczna, korzystnie wykonana z dielektryka stałego, a korzystniej z laminatu na bazie szkła epoksydowego. Jest to materiał tani i powszechnie dostępny.

Druga warstwa dielektryczna stanowi korzystnie element obudowy anteny.

Istotą wynalazku jest także zastosowanie drugiej warstwy dielektrycznej umieszczonej w odległości zawierającej się w przedziale od 0,04 do 0,4 długości fali anteny, nad strukturą mikropaskową.

Wynalazek przedstawiono w korzystnych przykładach wykonania na rysunku, na którym odpowiednie figury przedstawiają:

figura 1 - schematyczny widok perspektywiczny pierwszego przykładu wykonania anteny sektorowej według wynalazku, figura 2 - schematyczny widok z góry drugiego przykładu wykonania anteny sektorowej według wynalazku, figura 3 - charakterystykę natężenia pola elektromagnetycznego promieniowania anteny dla przykładowej anteny znanej ze stanu techniki, o konstrukcji podobnej do pokazanej na rysunku fig. 1, lecz pozbawionej drugiej warstwy dielektrycznej, figura 4 - charakterystykę natężenia pola elektromagnetycznego promieniowania anteny dla przykładowej anteny według wynalazku o konstrukcji pokazanej na rysunku fig. 1.

Na rysunku fig. 1 przedstawiono widok pierwszego przykładu wykonania sektorowej anteny mikropaskowej 1 według wynalazku. Podstawowy układ promieniujący anteny mikropaskowej 1 stanowi struktura mikropaskowa 3 nadrukowana na prostokątną płytkę dielektryczną 6 wykonaną z laminatu ze szkła epoksydowego, pod którą znajduje się równoległa do struktury mikropaskowej 3 uziemiona prostokątna płytka metalowa 2.

W tym przykładzie wykonania strukturę mikropaskową 3 tworzy sześć współliniowych identycznych, romboidalnych elementów promieniujących 4 połączonych ścieżkami przewodzącymi 5. Kształty, wymiary poszczególnych elementów promieniujących, ich rozmieszczenie przestrzenne oraz układ łączących je ścieżek przewodzących jest dopasowany do wymaganych parametrów pracy anteny.

Płytka uziemiona 2 jest oddzielona od struktury mikropaskowej 3 pierwszą warstwą dielektryczną 7 o grubości d wynoszącej 3,08 mm składającą się z warstwy powietrznej i warstwy płytki dielektrycznej 6. Do struktury mikropaskowej 3 przyłączone jest gniazdo 8 oraz metalowy trzpień 9 łączący galwanicznie strukturę mikropaskową 3 z płytką uziemioną 2. Do gniazda 8 oraz do płytki uziemionej 2 podłączony jest też niepokazany na rysunku kabel nadawczy lub odbiorczy służący do nadawania lub odbioru sygnału.

Ponad powierzchnią struktury mikropaskowej 3 w odległości D znajduje się równoległa do niej dodatkowa, druga warstwa dielektryczna 10 o grubości G, która w tym przykładzie wykonania ma formę pojedynczej płytki 11 z dielektryka stałego.

Dokładny dobór odsunięcia (D) drugiej warstwy dielektrycznej 10, jej grubości (G), przenikalności elektrycznej (ε^, kąta stratności (δ) oraz innych parametrów układu i ich wzajemnych zależności zależy od długości fali anteny (λο) i pożądanego stopnia zwiększenia szerokości wiązki głównej anteny (HPBW).

Chociaż na rysunku nie przedstawiono niektórych szczegółów konstrukcyjnych anteny, jak na przykład szczegółów zamocowania drugiej warstwy dielektrycznej 10, to oczywistym jest, że możliwe jest wykorzystanie dowolnej konstrukcji mocującej nie wpływającej na parametry elektromagnetyczne anteny. Drugą warstwę dielektryczną 10 można na przykład przykleić do płytki dielektrycznej 6, bądź też do niepokazanej na rysunku obudowy anteny, za pośrednictwem odpowiedniej taśmy dwustronnie klejącej, zapewniającej odpowiednie odsunięcie (D) warstwy 10 od struktury mikropaskowej 3. Druga warstwa dielektryczna 10 może też stanowić fragment odpowiednio wykonanej obudowy anteny.

Podstawowe parametry konstrukcyjne przykładowych anten sektorowych pokazanych na rysunku fig. 1 (grubość drugiej warstwy dielektrycznej G, jej odsunięcie D od struktury mikropaskowej) oraz uzyskiwane przez nie wartości HBPW zostały podane w poniższej tabeli 1, dla anten o częstotliwości roboczej fo wynoszącej 5,5 GHz (λο = 54,51 mm).

PL 218 547 B1

Przykład pierwszy ilustruje parametry anteny znanej ze stanu techniki (pozbawionej drugiej warstwy dielektrycznej 10), przykłady 2 do 5 ilustrują parametry anten, w których drugą warstwę dielektryczną 10 stanowi pojedyncza płytka dielektryczna wykonana z laminatu produkowanego przez firmę Rogers Corporation o kącie stratności δ równym 0,02 i przenikalności elektrycznej ε_Γ wynoszącej 3,3, zaś przykłady 6 do 11 dotyczą konstrukcji, w których drugą warstwę dielektryczną 10 stanowi pojedyncza płytka wykonana z laminatu szklano-epoksydowego FR4 o kącie stratności δ równym 0,02 i przenikalności elektrycznej ε_Γ wynoszącej 4,3 (produkowanego przez firmę Isola GmbH).

T a b e l a 1

Parametry przykładowych anten według wynalazku

Przykład #	Druga warstwa dielektryczna	HPBW
Sr	G [mm]	D [mm] (λο)
Przykład 1	(brak)	78°
Przykład 2	3,3	1,5	8 mm (0,15 λο)	100°
Przykład 3	3,3	1,5	9 mm (0,17 λο)	100°
Przykład 4	3,3	1,5	10 mm (0,18 λο)	98°
Przykład 5	3,3	3,0	6 mm (0,11 λο)	120°
Przykład 6	4,3	1,5	8 mm (0,15 λο)	100°
Przykład 7	4,3	1,5	9 mm (0,17 λο)	105°
Przykład 8	4,3	1,5	10 mm (0,18 λο)	100°
Przykład 9	4,3	2,0	5 mm (0,09 λο)	119°
Przykład 10	4,3	2,0	7 mm (o,13 λο)	113°
Przykład 11	4,3	2,0	8 mm (0,15 λο)	106°

Jak widać z powyższej tabeli, zastosowanie płytki dielektrycznej o grubości 1,5 mm daje już bardzo znaczne zwiększenie parametru HPBW do wartości około 105° (przykład 2 i 7), natomiast zastosowanie grubszej warstwy dielektrycznej (przykład 5 i 9) pozwala już na zaliczenie takiej anteny do klasy anten 120-stopniowycłi.

Na rysunku fig. 2 przedstawiono kolejny przykład wykonania anteny mikropaskowej 1'. Odsyłacze numeryczne odpowiednich elementów są takie same jak na rysunku fig. 1. W tym przykładzie szerokość W drugiej warstwy dielektrycznej 10 wynosi 66,5 mm i jest ponad dwukrotnie większa od szerokości s struktury mikropaskowej 3 pomiędzy zewnętrznymi krawędziami skrajnych elementów promieniujących 4, wynoszącej 26,5 mm.

Porównanie wpływu drugiej warstwy dielektrycznej na szerokość wiązki głównej zobrazowano na rysunku fig. 3 oraz fig. 4 przedstawiającym fragmenty mocowych charakterystyk kierunkowych wyznaczonych w płaszczyźnie wektora natężenia pola magnetycznego (H).

Kąt theta jest mierzony od punktu, dla którego natężenie pola elektromagnetycznego jest największe.

Charakterystyka z rysunku fig. 3 odpowiada antenie znanej ze stanu techniki (przykład 1 w tabeli 1), zaś charakterystyka z rysunku fig. 4 odpowiada przykładowi 9.

Kąt zawarty pomiędzy punktami przecięcia wykresu z osią odciętych odpowiada szerokości wiązki (wartości HBPW).

Jak widać, szerokość wiązki promieniowania anteny pozbawionej drugiej warstwy dielektrycznej wynosi około 78°. Natomiast po wprowadzeniu drugiej warstwy dielektrycznej nastąpiło zwiększenie szerokości wiązki promieniowania anteny do wartości 119°.

Powyższych przykładów wykonania nie należy w żadnym przypadku traktować jako wyczerpujących i ograniczających prezentowany wynalazek, którego istota została scharakteryzowana w zastrzeżeniach patentowych.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Mikropaskowa antena sektorowa zawierająca metalową strukturę mikropaskową utworzoną z połączonych elementów promieniujących, pod którą znajduje się pierwsza warstwa dielektryczna oraz metalowa warstwa uziemiona, znamienna tym, że nad strukturą mikropaskową (3) w odległości (D) zawierającej się w przedziale od 0,04 do 0,4 długości fali anteny (λο) znajduje się druga warstwa dielektryczna (10).
2. Antena mikropaskowa według zastrz. 1, znamienna tym, że szerokość (W) drugiej warstwy dielektrycznej (10) jest co najmniej dwukrotnie większa od szerokości struktury mikropaskowej (3).
3. Antena mikropaskowa według zastrz. 1 albo 2, znamienna tym, że w skład drugiej warstwy dielektrycznej (10) wchodzi co najmniej jedna płytka dielektryczna (11).
4. Antena mikropaskowa według zastrz. 3, znamienna tym, że co najmniej jedna płytka dielektryczna (11) jest wykonana z dielektryka stałego, a korzystniej z laminatu na bazie szkła epoksydowego.
5. Antena mikropaskowa według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, znamienna tym, że druga warstwa dielektryczna (10) stanowi element obudowy anteny.