PL226491B1 - Wielowarstwowa struktura szyku antenowego - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest wielowarstwowa struktura szyku antenowego składającego się z anten mikropaskowych oraz dzielników mocy. W szczególności dotyczy to anten mikropaskowych zintegrowanych z układem podziału mocy w urządzeniach telekomunikacyjnych pracujących w mikrofalowym zakresie częstotliwości.

Antenę mikropaskową tworzy bardzo cienka warstwa przewodząca (tzw. metalizacja) o odpowiednim kształcie wytrawiona na powierzchni dielektryka o określonej grubości h znajdującego się bezpośrednio nad powierzchnią ekranującą. Grubość h dielektryków stosowanych najczęściej jako podłoża anten mikropaskowych zawiera się zwykle w przedziale 0,003λ < h < 0,05λ, gdzie λ jest długością fali elektromagnetycznej o częstotliwości środkowej pasma pracy anteny. Dielektryki stosowane do budowy anten mikropaskowych charakteryzuje się głównie przez wartość ich względnej przenikalności elektrycznej e_r, która zwykle zawiera się w przedziale 2,2<e_r<12.

Promienniki mikropaskowe mogą przyjmować dowolne kształty, z których najczęściej używanymi są kształt prostokąta, koła, elipsy lub trójkąta.

Znana jest z wynalazku US 4401988A „Coupled multilayer microstrip antenna” wielowarstwowa antena mikropaskowa posiadająca górny i dolny element promieniujący w postaci planarnej struktury, których wymiary są dobrane w taki sposób, że częstotliwość rezonansowa dla obu elementów promieniujących jest taka sama. Elementy promieniujące - górny i dolny - są oddzielone od siebie dielektrykiem. Górny element promieniujący jest zasilany poprzez przewód współosiowy. Poniżej dolnego elementu rezonansowego znajduje się warstwa dielektryka. Na dolnej warstwie dielektryka znajduje się metalizacja masy dla układu niesymetrycznej linii paskowej.

Wadą rozwiązania jest to, że występują silne sprzężenia i przenikanie mocy sygnału mikrofalowego w rozbudowanych strukturach szyków antenowych opartych na tego typu wielowarstwowej antenie mikropaskowej.

W stanie techniki znane są rozwiązania, w których prostokątną antenę mikropaskową rozważa się jako wnękę rezonansową ograniczoną przez ścianki elektryczne od góry i od dołu (po obu stronach dielektryka) oraz ścianki magnetyczne wzdłuż wszystkich czterech krawędzi anteny. Sprowadza się to do zagadnienia szyku dwóch szczelin promieniujących o długości W, wysokości h i odstępie L. Do wstępnej analizy anteny paskowej można posłużyć się modelem linii transmisyjnej, który zakłada, że antena paskowa jest szykiem dwóch szczelin promieniujących połączonych odcinkiem linii transmisyjnej o długości L. Źródłem promieniowania są wówczas tzw. pola krańcowe jakie pojawiają się na dwóch krańcach łaty tam, gdzie ładunki elektryczne przechodzą z górnej warstwy metalizacji na dolną (lub na odwrót). Intensywność tego promieniowania zależy od wymiarów linii transmisyjnej (L, W) i wysokości h dielektryka oddzielającego ją od płaszczyzny ekranu. Dla L/h>>1 efekt pól krańcowych jest znacznie zredukowany podobnie jak dla W/h>>1. Antena mikropaskowa promieniuje najintensywniej, gdy występuje w niej zjawisko rezonansu. W celu uzyskania rezonansu, długość L anteny musi być zbliżona do połowy długości fali λ sygnału jakim jest zasilana. Wadą klasycznej struktury anteny mikropaskowej jest wąskie częstotliwościowe pasmo pracy.

W stanie techniki znane są rozwiązania, w których antenę mikropaskową zasila się poprzez doprowadzenie linii mikropaskowej do jej krawędzi. Tego typu struktura zasilania utrudnia znacząco realizację planarnych szyków antenowych, w których występuje wiele pojedynczych anten mikropaskowych. Spowodowane jest to umiejscowieniem linii układu podziału mocy na tej samej powierzchni, na której znajdują się anteny mikropaskowe. Skutkuje to trudnościami w projektowaniu układu podziału mocy wynikającymi nie tylko z ograniczonej przestrzeni ale również z występowania sprzężeń między antenami mikropaskowymi a liniami transmisyjnymi tego układu. W szczególności problem sprzężeń znacząco utrudnia analizę parametrów powstałego szyku antenowego, gdyż może on powodować zaburzenia rozkładu amplitudowo-fazowego, które w nieprzewidywalny sposób wpływają nie tylko na dopasowanie wejściowe całej anteny ale również na kształt formowanych w strefie dalekiej charakterystyk kierunkowości.

Wielowarstwowa struktura szyku antenowego zawierająca promienniki mikrofalowe oraz dzielnik mocy charakteryzująca się tym, że w laminacie dolnym znajdują się otwory metalizowane otaczające linie dzielnika mocy znajdujące się na laminacie dolnym oraz łatę promieniującą górną na laminacie górnym. W laminacie środkowym znajduje się otwór prostokątny tworzący wnękę powietrzną, którego ścianki otaczają linie dzielnika mocy zasilającego antenę mikropaskową, tworzoną przez łatę

PL 226 491 B1 promieniującą górną i łatę promieniującą dolną, które umieszczone są jedna nad drugą i rozdzielone są laminatem górnym.

Korzystnie gdy łata promieniująca dolna zasilana jest poprzez sprzężenie elektryczne z liniami dzielnika mocy znajdującymi się na laminacie dolnym.

Istotą wynalazku jest zastosowanie wielowarstwowej i niejednorodnej struktury dielektrycznej dla linii transmisyjnych tworzących układ podziału mocy oraz zintegrowanych promienników mikropaskowych o poszerzonym paśmie pracy. Pojedynczy promiennik mikrofalowy zbudowany jest z dwóch łat promieniujących znajdujących się jedna nad drugą i wytrawionych na tym samym laminacie mikrofalowym. Dolna łata promieniująca promiennika mikrofalowego jest otoczona powierzchnią ekranującą, która tworzy laminat. Laminat z promiennikami mikrofalowymi przykręcany jest do środkowego laminatu w taki sposób, że płaszczyzna ekranująca laminatu z promiennikami mikrofalowymi łączy się z górną płaszczyzną ekranującą laminatu środkowego. Laminat górny oraz laminat środkowy skręcane są razem z dolnym laminatem, na którym znajdują się linie paskowe dzielnika mocy. Są one otoczone płaszczyzną ekranującą z otworami metalizowanymi łączącymi ją z dolną płaszczyzną ekranującą.

Korzystnym jest zastosowanie otworów metalizowanych ponieważ po skręceniu trzech laminatów, wszystkie płaszczyzny ekranujące są ze sobą zwarte. Zapewnia to wzajemną separację różnych fragmentów dzielnika mocy oraz jego izolację od promienników mikrofalowych dzięki czemu w obwodzie nie występują niepożądane zjawiska rezonansowe. W laminacie środkowym, w miejscach wokół łat promieniujących, znajdujących się na laminacie górnym, wycięte są prostokątne otwory. Otwory te tworzą przestrzenie powietrzne, przez które pobudzane są promienniki mikrofalowe. Powstałe przestrzenie powietrzne, ze względu na niską względną przenikalność elektryczną (-.,=1) zapewniają dodatkowe poszerzenie pasma pracy anteny. W opisywanej strukturze anteny na poszerzenie pasma pracy wpływa zastosowanie dwóch łat promieniujących umieszczonych jeden nad drugim, zastosowanie sprzężenia między linią dzielnika mocy a dolna łata promieniującą oraz zastosowanie przestrzeni powietrznej między linią dzielnika a dolna łata promieniująca.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania jest uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój przez strukturę pojedynczego promiennika mikrofalowego, fig. 2 przedstawia fragment struktury przykładowego szyku antenowego zrealizowanego w wielowarstwowej strukturze mikropaskowej ze wzajemną izolacją linii dzielnika mocy i promienników, fig. 3 przedstawia porównanie częstotliwościowych charakterystyk modułu współczynnika odbicia |S1, 1| w skali logarytmicznej planarnego szyku antenowego złożonego z 32 elementów promieniujących, gdzie: 1 - antena bez wnęk powietrznych (względne częstotliwościowe pasmo pracy równe 5.8%) oraz 2 - antena z wnękami powietrznymi (względne częstotliwościowe pasmo pracy równe 8.2%).

Przedmiot wynalazku uwidoczniono w przykładzie wykonania na rysunku, przedstawiającym strukturę szyku antenowego zrealizowanego w wielowarstwowej strukturze mikropaskowej ze wzajemną izolacją linii dzielnika mocy 8 i łat promieniujących: górnej 2 i dolnej 1. W płaszczyźnie ekranującej tworzonej przez laminat górny 3 wykonano szereg otworów metalizowanych 6. Laminat górny 3 z promiennikami mikrofalowymi przykręcany jest do laminatu środkowego 4 w taki sposób, że płaszczyzna ekranująca laminatu górnego 3 z promiennikami mikrofalowymi łączy się z górną płaszczyzną ekranującą laminatu środkowego 4. Laminat górny 3 oraz laminat środkowy 4 skręcane są razem z laminatem dolnym 5, na którym znajdują się linie paskowe dzielnika mocy 8. Są one otoczone płaszczyzną ekranującą z otworami metalizowanymi 6 łączącymi ją z dolną płaszczyzną ekranującą laminatu środkowego 4. Zmierzono parametry macierzy rozproszenia dla wielowarstwowej struktury szyku antenowego. Moduł współczynnika odbicia (parametr) |S1, 1 (mierzony we wrotach wejściowych szyku anteny złożonego z 32 elementów promieniujących z wnękami powietrznymi został przedstawiony na wykresie (fig. 3).

Claims (2)

1. Wielowarstwowa struktura szyku antenowego zawierająca promienniki mikrofalowe oraz dzielnik mocy, znamienna tym, że w laminacie dolnym (5) znajdują się otwory metalizowane (6) otaczające linie dzielnika mocy (8) znajdujące się na laminacie dolnym (5) oraz łatę promieniującą górną (2) na laminacie górnym (3), a w laminacie środkowym (4) znajduje się otwór prostokątny tworzący wnękę powietrzną (7), którego ścianki otaczają linie dzielnika

PL 226 491 B1 mocy (8) zasilającego antenę mikropaskową, tworzoną przez łatę promieniującą górną (2) i łatę promieniującą dolną (1), które umieszczone są jedna nad drugą i rozdzielone są laminatem górnym(3).

2. Wielowarstwowa struktura szyku antenowego według zastrz. 1, znamienna tym, że łata promieniująca dolna (1) zasilana jest poprzez sprzężenie elektryczne z liniami dzielnika mocy (8) znajdującymi się na laminacie dolnym (5).