PL218962B1 - Mikropaskowa antena sektorowa o polaryzacji równoległej do jej osi wzdłużnej - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Mikropaskowa antena sektorowa o polaryzacji zasadniczo równoległej do jej osi wzdłużnej mająca obudowę, w której znajduje się metalowa warstwa ekranująca, nad którą znajduje się co najmniej jedna płytka dielektryczna, nad którą znajduje się wzdłużna struktura mikropaskowa mająca wiele elementów promieniujących rozmieszczonych zasadniczo równolegle do głównej ścieżki zasilającej, przy czym każdy z rzeczonych elementów promieniujących ma dwie łaty promieniujące rozmieszczone symetrycznie po obu stronach głównej ścieżki zasilającej.

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.

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 najprostsza mikropaskowa antena sektorowa o polaryzacji równoległej do jej osi wzdłużnej ma strukturę mikropaskową w formie rzędu najczęściej jednakowych elementów promieniujących, zwykle w kształcie wielokątów, a najczęściej prostokątów, lub kół połączonych ze sobą ścieżkami zasilającymi i szeregowo zasilanych.

Odległości pomiędzy poszczególnymi elementami promieniującymi powinny być mniejsze od długości fali anteny. Kiedy zaczynają się one zbliżać do długości fali elektromagnetycznej anteny (λ₀) w powietrzu wyznaczonej przez największą projektowaną częstotliwość jej pracy, dochodzi do wzrostu niepożądanych listków bocznych (ang. grating lobes) charakterystyki anteny, które w pewnym momencie przyjmują nawet poziom wiązki głównej. W krańcowym przypadku nie można wówczas określić, który listek charakterystyki jest listkiem bocznym, a który wiązką główną. Przykładowo dla anteny o paśmie przenoszenia w zakresie 5.5 GHz poszczególne elementy promieniujące nie powinny być bliższe niż 54.5 mm.

Oczywiście odległości te nie mogą być również za małe ponieważ, choć w pewnym stopniu zmniejszają się wówczas listki boczne, pogarsza się także zysk i inne parametry anteny.

Dla dowolnego kształtowania rozpływu zasilania struktury mikropaskowej konieczne jest rozmieszczenie dodatkowych elementów dostrajających (stroików, transformatorów impedancyjnych, itp.) na ścieżkach zasilających pomiędzy łatami promieniującymi. Im są one dłuższe tym więcej jest możliwości rozmieszczenia tych elementów dostrajających. Niestety konstrukcja opisana powyżej na to nie pozwala z uwagi na niewielkie odległości ścieżek przewodzących pomiędzy poszczególnymi elementami promieniującymi.

Znane są anteny sektorowe o polaryzacji zasadniczo równoległej do osi wzdłużnej, w których rząd elementów promieniujących leży w pewnej odległości od głównej ścieżki zasilającej, z którą poszczególne elementy promieniujące są połączone za pośrednictwem dodatkowych ścieżek zasilających prostopadłych do osi wzdłużnej anteny. Przykładową antenę tego typu ujawniono w polskim zgłoszeniu patentowym P. 384512. Chociaż dostępne odległości ścieżek przewodzących pomiędzy elementami promieniującymi są wówczas znacznie większe, jednak dodatkowe ścieżki zasilające, prostopadłe do głównej ścieżki zasilającej, również promieniują a ponieważ polaryzacja ich promieniowania jest odmienna od polaryzacji struktury mikropaskowej pogarsza się wypadkowa ogólna czystość polaryzacyjna anteny.

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.

Celem wynalazku było dostarczenie sektorowej anteny mikropaskowej o polaryzacji zasadniczo równoległej do jej osi wzdłużnej pozbawionej powyższych niedogodności, która cechowałaby się wysoką szerokopasmowością pracy, wysoką czystością polaryzacyjną, a jednocześnie była ekonomiczna i prosta w masowej produkcji bez konieczności stosowania szczególnych rodzajów laminatów czy też wyspecjalizowanych metod produkcyjnych.

Istotą wynalazku jest opisana na wstępie mikropaskowa antena sektorowa o polaryzacji zasadniczo równoległej do jej osi wzdłużnej, charakteryzująca się tym, że łaty promieniujące mają wzdłużne

PL 218 962 B1 kształty, których wzdłużne osie są nachylone pod kątem ostrym względem głównej ścieżki zasilającej i sprzężone są z główną ścieżką zasilającą elektromagnetycznie za pośrednictwem dodatkowej ścieżki zasilającej znajdującej się pomiędzy końcami łat promieniujących na kierunku głównej ścieżki zasilającej tak, że łaty promieniujące oraz dodatkowa ścieżka zasilająca definiują U-kształtny obrys elementu promieniującego.

Podział każdego elementu promieniującego na dwie wzdłużne łaty promieniujące zwiększa odległości pomiędzy punktami zasilania poszczególnych elementów a tym samym dostępną długość ścieżki przewodzącej, na której można zainstalować dodatkowe elementy dostrajające. Ponadto tego typu U-kształtne obrysy elementów promieniujących pozwalają na precyzyjne zdefiniowanie punktu zasilania każdego elementu promieniującego; umożliwiają one również posadowienie ścieżki zasilającej na innej warstwie niż warstwa elementów promieniujących. Pod pojęciem „wzdłużny należy według wynalazku rozumieć, że jeden wymiar łaty promieniującej (długość) jest znacząco większy od drugiego (szerokość).

Korzystne jest, aby pomiędzy dodatkową ścieżką zasilającą a główną ścieżką zasilającą znajdowała się szczelina sprzężenia elektromagnetycznego.

Alternatywnie bądź dodatkowo szczelina sprzężenia elektromagnetycznego może znajdować się pomiędzy rzeczonymi łatami promieniującymi elementu promieniującego a dodatkowymi ścieżkami zasilającymi.

Szczeliny te mogą leżeć na wspólnej płaszczyźnie łat promieniujących i dodatkowych ścieżek zasilających, bądź też elementy promieniujące i dodatkowe ścieżki zasilające mogą znajdować się na różnych warstwach. Parametry szczelin 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.

Korzystne jest również, aby odległości wzdłuż osi prostopadłych do osi wzdłużnej anteny pomiędzy krawędziami wewnętrznymi i/lub zewnętrznymi rzeczonych łat promieniujących elementu promieniującego były zróżnicowane. Zwiększa to możliwości kształtowania rozpływu zasilania poszczególnych łat i w pewnym stopniu redukuje przesłuchy pomiędzy główną ścieżką zasilającą a łatami.

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

fig. 1 mikropaskową antenę sektorową według wynalazku w schematycznym widoku perspektywicznym, fig. 2 korzystną realizację struktury mikropaskowej anteny według wynalazku, fig. 3 przykład realizacji elementu promieniującego struktury mikropaskowej anteny według wynalazku, fig. 4 kolejny przykład realizacji elementu promieniującego w widoku z góry (fig. 4a) i z boku wraz z płytkami dielektrycznymi (fig. 4b), a fig. 5 jeszcze jeden przykład realizacji elementu promieniującego wraz z płytką dielektryczną w widoku z góry (fig. 5a) i z boku (fig. 5b).

Mikropaskowa antena sektorowa 1 przedstawiona na rysunku fig. 1 jest umieszczona w obudowie 2 z tworzywa sztucznego oznaczonej schematycznie linią przerywaną.

Podstawowy układ promieniujący (nadawczy bądź odbiorczy) anteny 1 stanowi tu struktura mikropaskowa 3 nadrukowana bądź wytrawiona na prostokątnej płytce dielektrycznej 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 ε_Γ 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.

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. Nad strukturą mikropaskową 3 znajduje się warstwa dielektryczna składająca się z warstwy powietrznej i warstwy obudowy 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 przewodzącą ścieżką

PL 218 962 B1 zasilającą 32 struktury mikropaskowej 3. Do gniazda 6 można podłączyć niepokazany na rysunku kabel zasilający służący do połączenia anteny z urządzeniami nadawczo/odbiorczymi.

W tym przykładzie wykonania strukturę mikropaskową 3 tworzy ścieżka zasilająca 32 oraz dziesięć współliniowych elementów promieniujących 31a. Kształt ścieżki 32 oraz kształty, wymiary i wzajemna separacja przestrzenna elementów promieniujących 31a zostały dopasowane do wymaganych parametrów pracy anteny i będą omówione w nawiązaniu do rysunku fig. 2-5.

O ile nie zaznaczono inaczej, odsyłacze numeryczne elementów pełniących te same funkcje, pozostają takie jak na rysunku fig. 1, przy czym tam gdzie stosowne dodano sufiksy (a-d) dla rozróżnienia elementów o tej samej funkcjonalności lecz innej konstrukcji.

Na rysunku fig. 2 zilustrowano przykładową strukturę mikropaskowa zawierającą osiem elementów promieniujących 31a. Środek struktury, stanowiący zarazem punkt podłączenia przewodu nadawczego lub odbiorczego zaznaczono strzałką. Struktura ta zawiera osiem elementów promieniujących 31a rozmieszczonych równoodległe od siebie, równolegle do osi wzdłużnej struktury i zasadniczo symetrycznie względem jej środka. Ścieżka zasilająca 32 ma ponadto zestaw ośmiu par stroików impedancyjnych 323.

Każdy element promieniujący 31a ma tutaj dwie łaty promieniujące 311a w kształcie prostokąta, którego jeden bok w obszarze końcowym rozchyla się trójkątnie przechodząc w punkt zasilania łączący każdą łatę 311a z dodatkową ścieżką zasilającą 322a łączącą się prostopadle z główną ścieżką zasilającą 32. W tym przypadku osie wzdłużne łat promieniujących 311a są równoległe do osi wzdłużnej anteny.

W alternatywnym przykładzie wykonania pokazanym na rysunku fig. 3 łaty promieniujące 311b elementu promieniującego 31b i dodatkowe ścieżki zasilające 322b nie są ze sobą połączone lecz sprzężone elektromagnetycznie za pośrednictwem szczelin „D.

W kolejnym przykładzie wykonania pokazanym na rysunku fig. 4 łaty promieniujące 311c elementu promieniującego 31c mają kształt zbliżony do kropli dla zredukowania przesłuchów pomiędzy główną ścieżką zasilającą 32a łatami 311c. Jak pokazano na rysunku fig. 4b łaty promieniujące wraz z dodatkową ścieżką zasilającą 322c są wytrawione na górnej powierzchni płytki dielektrycznej 4 o grubości 0.8 mm pod którą znajduje się warstwa powietrza o grubości 1 mm i druga płytka dielektryczna 8 o grubości 0.8 mm, na dolnej powierzchni której wytrawiona jest główna ścieżka zasilająca 32. Szczelina sprzężenia elektromagnetycznego „D znajduje się tu pomiędzy punktem leżącym w środku dodatkowej ścieżki zasilającej 322c a położoną poniżej główną ścieżką zasilającą 32.

Na rysunku fig. 5 zilustrowano przypadek, w którym elementy promieniujące 32d są naniesione na górną powierzchnię płytki dielektrycznej 4, zaś dodatkowe ścieżki zasilające 322d zostały wytrawione w dolnej powierzchni płytki dielektrycznej 4. Szczelina sprzężenia elektromagnetycznego „D leży tu w płaszczyźnie prostopadłej do płytki dielektrycznej co zmniejsza niekorzystny wpływ dodatkowych ścieżek zasilających na charakterystykę promieniowania anteny. Ponadto osie wzdłużne łat promieniujących 311d są nachylone pod kątem ostrym względem głównej ścieżki zasilającej 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. Ponadto struktura mikropaskowa anteny według wynalazku może być też oczywiście niesymetryczna.

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

Claims (5)

1. Mikropaskowa antena sektorowa o polaryzacji zasadniczo równoległej do jej osi wzdłużnej mająca obudowę, w której znajduje się metalowa warstwa ekranująca, nad którą znajduje się co najmniej jedna płytka dielektryczna, nad którą znajduje się wzdłużna struktura mikropaskowa mająca wiele elementów promieniujących rozmieszczonych zasadniczo równolegle do głównej ścieżki zasilającej, przy czym każdy z rzeczonych elementów promieniujących ma dwie łaty promieniujące rozPL 218 962 B1 mieszczone symetrycznie po obu stronach głównej ścieżki zasilającej, znamienna tym, że łaty promieniujące (311) mają wzdłużne kształty, których wzdłużne osie są nachylone pod kątem ostrym względem głównej ścieżki zasilającej (32) i sprzężone są z główną ścieżką zasilającą (32) elektromagnetycznie za pośrednictwem dodatkowej ścieżki zasilającej (322) znajdującej się pomiędzy końcami łat promieniujących (311) na kierunku głównej ścieżki zasilającej (32) tak, że łaty promieniujące (311) oraz dodatkowa ścieżka zasilająca (322) definiują U-kształtny obrys elementu promieniującego (31).

2. Antena mikropaskowa według zastrz. 1, znamienna tym, że osie wzdłużne łat promieniujących (311a, 311b, 311c) są równoległe do głównej ścieżki zasilającej (32).

3. Antena mikropaskowa według zastrz. 1 albo 2, znamienna tym, że pomiędzy dodatkową ścieżką zasilającą (322c) a główną ścieżką zasilającą (32) znajduje się szczelina sprzężenia elektromagnetycznego (D).

4. Antena mikropaskowa według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienna tym, że pomiędzy łatami promieniującymi (311b, 311d) elementu promieniującego (31b, 31 d) a dodatkowymi ścieżkami zasilającymi (322b, 322d) znajduje się szczelina sprzężenia elektromagnetycznego (D).

5. Antena mikropaskowa według zastrz. 1 albo 2, albo 3, albo 4, znamienna tym, że odległości wzdłuż kierunków prostopadłych do głównej ścieżki zasilającej (32) pomiędzy krawędziami wewnętrznymi i/lub zewnętrznymi rzeczonych łat promieniujących (311c) elementu promieniującego (31c) są zróżnicowane.