RU15150U1

RU15150U1 - Плоская антенная решетка из щелевых излучающих элементов на основе копланарного волновода

Info

Publication number: RU15150U1
Application number: RU2000103859/20U
Authority: RU
Inventors: В.А. Волошин; В.М. Высоцкий; О.В. Оводов
Original assignee: Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи
Priority date: 2000-02-15
Filing date: 2000-02-15
Publication date: 2000-09-20

Abstract

Плоская антенная решетка из щелевых излучающих элементов на основе копланарного волновода, содержащая одностороннюю печатную плату, расположенную над металлическим экраном на расстоянии λ/4 от него, где λ - рабочая длина волны, металлизированной поверхностью внутрь, с нанесенными на ней копланарным волноводом, закороченным с одной стороны и нагруженным на копланарный трансформирующий участок с другой, и N печатными щелевыми излучающими элементами длиной по 0,724λ каждый, являющимися составной частью питающего их копланарного волновода и размещенными на расстоянии λдруг от друга, где λ- длина электромагнитной волны, распространяющейся вдоль питающего копланарного волновода, отличающаяся тем, что в ней копланарный волновод, разбитый на два запараллеленных канала на расстоянии λ друг от друга, копланарный трансформирующий участок также разбитый на два запараллеленных экспоненциальных отрезка, и питаемые копланарным волноводом щелевые излучающие элементы по N/2 в каждом канале сформированы металлической полоской шириной 0,06λ, причем с помощью этой металлической полоски узкие по всей длине щелевые излучающие элементы преобразованы в щелевые излучающие элементы в виде биконических вибраторов с размерами торцевых сторон равными четверти длины этих щелевых излучающих элементов, а для копланарного волновода металлическая полоска образует внешние его стороны.

Description

Нлоская антенная решетка нэ щелевых в: т1учающвх элементов на основе конланарного волновода

Полезная модель относится к области радиотехники, а точнее - к антенной технике, и может быть использована в системах радиосвязи.

В носледнее время в системах радиосвязи все более широкое применение находят плоские антенные решетки 1, которые с точки зрения возбуждения делятся на печатные и волноводно-щелевые. Изготовление волноводно-щелевых антенн путем прорезания щелей в стенках волноводов является сравнительно сложным процессом, и такие антенны отличаются большой стоимостью, особенно, если необходимо создать двумерную антенную решетку (АР). Печатные АР вьшолняются на основе микрополосковых. полосковых и подвешенных линий - линий передачи фидерных сетей. С такими лин11ями комбинируются различные типы излучаюш их элементов 2. К достоинствам подобных антенн следует отнести:

-легкость в обращении и установке на стенах домов;

-меньЕДТо подверженность влиянию ветра, дождя., снега;

-конструктивную и эстетическую согласованность с интерьером квартир и строений.

При всех этих положительных качествах следует все же отметить, что почти все такие АР имеют излучаюш ие элементы, которые запитываются отдельными Ш1таю1цими линиями, что приводит к сложным схемал питания, имеюпцтм большие потери, вследствие чего происходит отраничение усш1ения антенны 3.

Известна печатная АР с упрощенной схемой пш ания, заключающаяся в том, что ее излучающие элементы являются составной частью питающей линии - это щелевая АР, возбуждаемая копланарным волноводом 4. Данная АР является прототипом. Она выполнена с 14 щелевыми дипольными излучающими элементами, размещенными линейно вдоль копланарного волновода на тефлоновой подложке, расположенной на удалении четверти рабочей длины волны от металлической отражающей плоскости. Для согласования копланарного волновода вместе с щелевыми из.яучающими элементами с основным коаксиальным фидером питания применен четвертьволновый трансформатор. Рабочая частота АР - 17Д ГГц.

Геометр11ческие размеры тополоп1ческой части АР: длина щели 0;724 .X, где X - рабочая длина волны; щирина щели - 0,031 X; период АР XB, где XB - длина электромагнитной волны, распространяющейся вдоль питающего копланарного волновода; копланарньп1 волновод с одной стороны закорочен крайним щелевым из.пучающим элементом, а с друтой стороны имеет четвертьволновый трансформатор.

Электрические характеристики прототипа следлтощие; усипение 18,5 дБ; ширина диаграммы направленности (ДН) в Е-плоскости - 4°, в НП.Т1ОСКОСГИ - бО.

Однако, при многих положительных качествах прототипа можно отметить проявление существенного его недостатка: с уменьшением рабочей частоты в 5-10 раз резкое возрастание в 3-8 раз габаритных размеров такой АР. Поэтому для уменьшения габаритных размеров АР при сохраненри-т высокой энергетической эффективности необходимо переети к двумернощ ее построению.

На основании метода электродинамического подобия была изготовлена АР, работающая на частоте 2,45 ГГц. Она содержит печатную плату (см. фиг.7) на основе материала ФЛAli-2,8 то.чщиной 2 мм. С одной стороны

платы (наружной) фольга удалена, а на другой (внутренней) располагается копланарный волновод в виде двух запараилеленных каналов, каждый из которых питает три щелевых излучающих элемента. Геометрические размеры АР рассчитаны на основе экспериментально измеренного коэффициента замедления копланарного волновода (136) и с ставипи; размер односторонней печатной платы - 248x318 мм; длина каждого щелевого излучающего элемента - 88 мм; - 4 мм; период расположения щелевых излучающих элементов в каждом канатте копланарного волновода - 90 мм; расстояние между осями двух каналов копланарного волновода - 119 мм, щирина паза копланарного волновода, вн}ари которого располагаегся печатный полосок Ш1финой 4 мм, - 6 мм. Каналы копланарного волновода соединяются между собой двумя экспоненциальными отрезками копланарного трансформ1ф тощего участка. Оба противоположных конца каналов копланарного волновода закорачиваются крайними щелевыми излучающими элементами. Односторонняя печатная плата располагается над метаплическим экраном коробчатого типа с раскрывом 249x319 мм на расстоянии 30 мм от его дна металлизированной поверхностью внутрь. Выход принятой энергии в АР осуществляется с помощ.ью жесткого коаксиала с разъемом через /що коробка. Измеренный коэффициент усилении такой АР составляет 10 дБ.

Чисто теоретически достижимый коэффициент усиления G описанной модели АР можно рассчитать по формуле;

г V

где S 248x318 мм - геометрическая площадь раскрыва АР;

эффективность вышеописанной модели АР,

Целью предлагаемой полезной модели является увеличение энергетической эффе1сгивносги плоской ангенной решегки из щелевых излучающих элементов на основе копланарного волновода при малых ее габаритных размерах и простоте изготовления.

Для достижения указанной цели предлагается АР, содержащая одностороннюю печатную плату, расположенную над металлическим экраном на расстоянии от него металлизированной поверхностью внутрь, с нанесенными на ней копланарным волноводом, закороченным с одной стороны и нагруженным на копланарный трансформирующий участок с другой, и N печатными щелевыми излучающими элементами длиной по 0,724 л каждый, являющимися составной частъю питающего их копланарного волновода и размещенными на расстоянии XB друг от друга.

Согласно полезной модели коп.панарный волновод., разбитый на два запараллеленных канала на расстоянии X от друга, копланарный трансформирующий участок, также разбитый на два запараллеленных экспоненциальных отрезка, и питаемые копланарным волноводом щаиевые излучающ.ие элементы по N./2 в каждом канале выполнены не прорезанием их в сплощном металлическом покрытии односторонней печатной платы, расположенной над экраном коробчатого типа, а сфорлшрованы металлической по.иоской щириной X, причем с помощью этой мстаялической полоски узкие по всей длине щелевые из.11 чающие элементы щириной 0,031 X преобразованы в щелевые излучающие элемештл в виде биконических вибраторов с размерами торцевых сторон, равными чегверги длины этих щелевых из.пучающих элементов, а для копл шарного волновода металлическая полоска образует внещние его стороны.

излучающими элементами и отражающим экраном за счет удаления значительной части металлического покрытия печатной платы, что приводш к увеличению из.иучаемой мощности АР. Уменьщение габаритов достигнуто за счет использования экрана коробчатого типа и двумерности АР.

Полезная модель является новой, так как сочегание ее существенных признаков из литературы неизвестно.

На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемой полезной модели, на фиг. 2 - топология ее печатной платы, на фиг. 3 - топология печатной платы экспериментально исследованной полезной модели, на фиг. 4 - кривая зависимости коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) от частоты, на фиг. 5 и фиг. 6 - ьфивые зависимости от частоты ширины ДН соответственно в Е- и Н-плоскостях на уровне половинной мощности, па фиг. 7 - топология печатной платы плоской антенной решетки электродинамически подобной прототипу.

Предпагаемая плоская антенная решетка из из.11 чающ1гх элементов на основе копланарного волновода (фиг. 1, 2) содержит одностороннюю печатную плату 1., расположенную над мегал-пическим экраном 2 на расстоянии А,4 от него металлизированной поверхностью , с нанесенными на ней коплан ным волноводом 3, закороченным с одной стороны и нагруженным на когшанарный трансформирующий участок 4 с другой, и N печатными щелевыми излучающими элементами 5 длиной по OJ24 X каждый, являющимися составной частьк питаюпдего их копланарного волновода 3 и размещенными на расстоянии Хв друг от друга. И коп-панарный волновод 3, разбитый на два запарачлеленных канала на расстоянии X друг от друга, и когшанарный тpaнcфop шp ющий участок 4, также разб1стый на два запараллеленных экспоненциальных отрезка, и Ш1тае п.1е копланарным волноводом 3 щелевые ртзл {ающие элементы 5 по в каждом канапе выполнены не прорезанием их в сплошном

металлическом покрытии односторонней печатной платы 1, расположенной над экраном 2 коробчатого типа, а сформированы метаилической полоской 6 шириной 0,06 X, причем с помощью этой металлической полоски 6 узкие по всей длине щелевые излучающие элементы щириной 0,031 X. преобразованы в щелевые излучающие элементы 5 в виде биконических вибраторов с размерами торцевых сторон 7 равными четверти длины этих щелевых излучающих элементов 5, а для коштанарного волновода 3 металлическая полоска 6 образует внешние его стороны.

Работа плоской антенной решетки из излучающих элементов на основе коплаиарного волновода происходш: следующим образом.

Щелевые излучающие элементы 5. расположенные вдоль копланарного волновода 3, возбуждаются магнитной составляющей падающего элекфомагнхттного поля. Энергия принятой электромагн1ггной волны передается по копланарнолгу волноводу 3 через копланарный трансформирующий участок 4 в основной коаксиальный фидер и далее в приемн ю систему. Односторонняя печатная плата 1. расположенная в раскрыве коробчатого экрана 2, обращена металлизированной поверхностью внутрь, создавая этим защиту ее топологической части от воздействия внешней среды, сам же экран 2 обеспечивает однонаправленный прием АР падающего электромагнитного поля, увеличивая этим ее энергетическ ю эффективность. Передача наведенной энергии в АР долж1та производ1ггься по согласованному тракту. Поскольку возбуждение щелевых из.т1учающих элементов 5 эквивалентно последовательном включению импедансов в линию, да к же щелевые излучающие элеме1ггы 5 расположены на расстоянии А,в от друга, то импеданс в каждом канале коп.панарногю волновода перед отрезком копланарного трансфорь-шрующего -частка 4 равен сумме входных импедансов щелевых изл чающих элементов 5 в нем. Таким образом, выбор геометрии отрезков копланарного

трансформирующего 4 зависит от числа щелевых излучающих элементов 5 в каждом канале копланарного волновода 3. При этом необходимо еще учитывать, что вибраторный анапог приведенного щелевого излучающего элемента 5 длиной примерно ХБ работает в режиме параллельного резонанса, а сам щелевой излучающий элемеш 5 - в ре}киме последовательного резонанса, то есть его входной импеданс мал (порядка десятков Ом) по сравнению с входным импедансом вибратхзра же длины 4.

Экспериментально была исследована плоская антенная рещетка из щелевых излучающих элементов на основе копланарного волновода, работающая на частоте 2,45 ГГц и имеющая констр тщию (фиг. 1), аналогичнуювыщеописаннойэкспериментальноймодели

электродинамически подобной прототипу, то есть она содержит одностороннюю печатную плату I с размерами 248x318 мм на основе материала ФЛ.А11-2,8 толщиной 2 мм (см. фиг. 3, фиг. 7), ргюположенн ю над металлическим экраном 2 на расстоянии 30 мм от него мета.плизированной поверхностью внутрь, с нанесенными на ней копланарным волноводом 3, закороченным с одной стороны и нагруженным на копланарный трансформирующий участок 4 с другой, и щестък печатными щелевыми излучающими элементами 5 длиной по 88 мм каждый, явлJfющи т{иc5l составной частью питающего их копланарного волновода 3 и размещенными на рассгоянии 90 мм друг от Однако, в отличии от выщеописанной экспериментальной модели копланарный волновод 3, разбитый на два запараллеленньг с канала на расстоянии 119 мм друг от друга, копланарный трансформирующий участок 4, также разбитый на два запараллеленных экспоненциапьных отрезка, и питаемые копланарным волноводом 3 щелевые излучающие элементы 5 по три в каждом канале, с периодом расположения 90 мм, выполнены не прорезанием их в сп.пошном мета.ш1ическом покрьггии

односторонней печатной платы 1., ра.сположенной над Э1фаном 2 коробчатого типа с размером раскрыва 249x319 мм, а сформированы металлической полоской 6 шириной 7 мм, причем с помощью этой метаплической полоски 6 узкие чшырехмиллиметровые по всей длине щелевые из.л чающие элементы преобразованы в щелевые излучающие элементы 5 в виде биконических вибраторов с размерами торцевых сторон 7 равными 24 мм, а для копланарного волновода 3 металлическая полоска 6 образует внешние его стороны, при этом ширина паза между указанными сторонами, внутри между которыми располагается печатный полосок шириной 4 мм, составила 6 мм. Топология печатной платы 1 согласно фиг. 3 дополн1ггельно представлена в виде таблицы.

Таш-гм образом, в результате измерений 6bDio пощчено. что коэффи1щент усиления предлагаемой полезной модели на 4-5 дБ выше., чем у рассмотренной модели АР электродинамически подобной прототипу, то есть в экспериментальной полезной модели в полосе частот 2.4-2,5 ГГц он составит 14-15 дБ, кросс-поляризация на рабочей частоте равна 27 дБ, Максимальный габаритный размер полезной модели уменьшен почти в два раза по сравнению с условием одномерного изготовления ее по прототип}, а технология изготовления полезной модели, где основная часть - это печатная плата, проста и легко повторима от модели к модели.

Дополнительно представлены кривые зависимости КСВН от частоты (фиг. 4) и ширины ДН в Б- и Н-штоскостях на уровне по.повинной мощности от частоты (фиг. 5 и фиг 6, соответственно) ддя экспериментально исследованной полезной модели.

1Плоск 1е антенны для систем непосредсгвеннотх) телевизионного вещания. Радиоэлектроника за рубежом. Обзоры. Выпуск, Москва - 1989, стр. 1-15.

2Панченко Б.А., Нефедов Е.И. Микрополосковые антенны. М., изд. «Радио и связь. 1986.

3Collier, М. : «Microstrip antenna array for 12 GHz TV., Microwave J., 1977; 20, pp. 67-71.

4Nesic A. Slotted antenna array excited by a coplanar wavequide. «Electron. Lett., 1982, V. 18, №6, pp. 275-276.

Литература

Заявка № 2i8

Claims

Плоская антенная решетка из щелевых излучающих элементов на основе копланарного волновода, содержащая одностороннюю печатную плату, расположенную над металлическим экраном на расстоянии λ/4 от него, где λ - рабочая длина волны, металлизированной поверхностью внутрь, с нанесенными на ней копланарным волноводом, закороченным с одной стороны и нагруженным на копланарный трансформирующий участок с другой, и N печатными щелевыми излучающими элементами длиной по 0,724λ каждый, являющимися составной частью питающего их копланарного волновода и размещенными на расстоянии λ_в друг от друга, где λ_в - длина электромагнитной волны, распространяющейся вдоль питающего копланарного волновода, отличающаяся тем, что в ней копланарный волновод, разбитый на два запараллеленных канала на расстоянии λ друг от друга, копланарный трансформирующий участок также разбитый на два запараллеленных экспоненциальных отрезка, и питаемые копланарным волноводом щелевые излучающие элементы по N/2 в каждом канале сформированы металлической полоской шириной 0,06λ, причем с помощью этой металлической полоски узкие по всей длине щелевые излучающие элементы преобразованы в щелевые излучающие элементы в виде биконических вибраторов с размерами торцевых сторон равными четверти длины этих щелевых излучающих элементов, а для копланарного волновода металлическая полоска образует внешние его стороны.