RU2266591C1

RU2266591C1 - Wide-directivity-pattern microstrip antenna

Info

Publication number: RU2266591C1
Application number: RU2004118820/09A
Authority: RU
Inventors: В.Ф. Шугаева (RU); В.Ф. Шугаева; С.Н. Бойко (RU); С.Н. Бойко
Original assignee: Шугаева Валентина Федоровна; Бойко Сергей Николаевич
Priority date: 2004-06-23
Filing date: 2004-06-23
Publication date: 2005-12-20

Abstract

FIELD: antenna engineering.

SUBSTANCE: proposed antenna that can be used as stand-alone element or as antennas of phased array with beam scanned in wide spectrum of angles, for instance, as receiving antenna in equipment of users of space navigation systems (GPS, GLONASS/GPS) and as transceiving antenna in omnidirectional command, telemetering, and radio communication lines has its sleeve-shaped substrate made of insulating material with metallized screen inner space; printed-circuit conductor disposed above insulating sleeve is connected to high-frequency cable through metallized inner space of substrate and conducting screen hole.

EFFECT: enlarged directivity pattern of microstrip transceiving antenna.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве самостоятельной антенны или элемента фазированной антенной решетки со сканированием луча в широком секторе углов, в частности, в качестве приемной антенны в аппаратуре пользователей космических навигационных систем (GPS, ГЛОНАСС/GPS).The invention relates to antenna technology and can be used as a standalone antenna or element of a phased antenna array with beam scanning in a wide sector of angles, in particular, as a receiving antenna in the equipment of users of space navigation systems (GPS, GLONASS / GPS).

Одним из основных недостатков микрополосковых антенн является их узкополосность. Ограничение полосы происходит из-за резкого рассогласования антенны уже при небольших расстройствах частоты от резонанса.One of the main disadvantages of microstrip antennas is their narrowband. The band limitation is due to a sharp mismatch of the antenna even with small frequency disorders from resonance.

Одним из основных путей расширения рабочей частоты является выбор формы или размеров излучателя.One of the main ways to expand the operating frequency is to choose the shape or size of the emitter.

Ширина диаграммы направленности определяется апертурой печатного проводника антенного элемента, которая, в свою очередь, для фиксированной рабочей частоты обратно пропорциональна величине диэлектрической проницаемости диэлектрической подложки. С увеличением диэлектрической проницаемости подложки апертура печатного проводника уменьшается, а ширина диаграммы направленности увеличивается. Это свойство чаще всего используется для расширения диаграммы направленности микрополосковых антенн. Однако уменьшение апертуры печатного проводника в конце концов ведет к падению эффективности излучения микрополосковой антенны.The width of the radiation pattern is determined by the aperture of the printed conductor of the antenna element, which, in turn, for a fixed operating frequency is inversely proportional to the dielectric constant of the dielectric substrate. With an increase in the dielectric constant of the substrate, the aperture of the printed conductor decreases, and the width of the radiation pattern increases. This property is most often used to expand the pattern of microstrip antennas. However, a decrease in the aperture of the printed conductor ultimately leads to a decrease in the radiation efficiency of the microstrip antenna.

Известна дисковая микрополосковая антенна, содержащая диэлектрическую подложку, на одной стороне которой расположен металлический экран, а на другой первый диск металлического излучателя, согласующий элемент, расположенный между металлическим излучателем и металлическим экраном, и коаксиальный фидер, при этом согласующий элемент выполнен в виде второго металлического диска и отрезка металлического проводника, который соединен с первым и вторым металлическими излучателями в двух точках, расположенных в их центрах симметрии (а.с. №1543483, кл. МПК H 01 Q 1/38, опубликовано 15.02.90 г.).Known disk microstrip antenna containing a dielectric substrate, on one side of which there is a metal screen, and on the other a first disk of a metal emitter, a matching element located between the metal emitter and the metal screen, and a coaxial feeder, while the matching element is made in the form of a second metal disk and a piece of metal conductor, which is connected to the first and second metal emitters at two points located in their centers of symmetry (AS No. 15434 83, class IPC H 01 Q 1/38, published 02.15.90).

Улучшение согласования и уменьшение габаритов антенны достигается путем подбора размеров второго диска, отрезка металлического проводника диска излучателя и диэлектрической подложки в соответствии с предложенными соотношениями. При этом введение второго диска приводит к уменьшению апертуры антенны и, как следствие, к небольшому расширению диаграммы направленности.Improving the alignment and reducing the dimensions of the antenna is achieved by selecting the dimensions of the second disk, the length of the metal conductor of the emitter disk and the dielectric substrate in accordance with the proposed ratios. In this case, the introduction of the second disk leads to a decrease in the aperture of the antenna and, as a result, to a small expansion of the radiation pattern.

Известна также антенна, которая содержит полый круговой цилиндр из диэлектрика, на внешнюю поверхность которого нанесен полосковый проводник в виде спирали, а внутренняя поверхность металлизирована и заземлена, при этом полосковый проводник имеет постоянную ширину, а расстояние между витками равно половине этой ширины, питание при помощи коаксиального кабеля (патент США №4323900, кл. МПК H 01 Q 1/38 от 06.04.82 г.). Однако это устройство сложное в технологическом плане и настройке.An antenna is also known, which contains a hollow circular cylinder made of dielectric, on the outer surface of which a strip conductor is applied in the form of a spiral, and the inner surface is metallized and grounded, while the strip conductor has a constant width, and the distance between the turns is equal to half this width, powered by coaxial cable (US patent No. 4333900, class IPC H 01 Q 1/38 dated 04/06/82). However, this device is complex in terms of technology and configuration.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является микрополосный излучатель с широкой диаграммой направленности. Устройство содержит базовую электропроводящую опорную поверхность, над которой возвышается цокольная электропроводящая поверхность, электрически соединенная с базовой поверхностью, антенный элемент, расположенный на вершине цокольной поверхности. Действительная излучающая апертура определяется пространством между периферией поверхности антенного элемента и цокольной поверхностью. С поверхностью антенного элемента электрически соединено возбуждающее ВЧ-устройство для подвода и отвода ВЧ-энергии от поверхности антенного элемента (патент США №4051477, МПК H 01 Q 1/38 от 27.09.77 г.).The closest in technical essence to the proposed device is a microband emitter with a wide radiation pattern. The device contains a base electrically conductive supporting surface, above which rises a basement electrically conductive surface electrically connected to the base surface, an antenna element located on top of the basement surface. The actual radiating aperture is determined by the space between the periphery of the surface of the antenna element and the basement surface. An RF excitation device for supplying and removing RF energy from the surface of the antenna element is electrically connected to the surface of the antenna element (US patent No. 4051477, IPC H 01 Q 1/38 dated 09/27/77).

Расширение диаграммы направленности происходит за счет приподнятая антенного элемента над экранной плоскостью. Однако, вследствие того, что боковая токовая поверхность не покрыта диэлектрическим материалом, то токи на ней будут меньше, чем в случае присутствия на ней диэлектрического материала, и, как следствие, эффект расширения диаграммы направленности понижен.The expansion of the radiation pattern occurs due to the elevated antenna element above the screen plane. However, due to the fact that the lateral current surface is not covered with dielectric material, the currents on it will be less than in the case of the presence of dielectric material on it, and, as a consequence, the effect of the expansion of the radiation pattern is reduced.

В основу изобретения поставлена задача получения более широкой диаграммы направленности во всенаправленных командных, телеметрических и связных радиолиниях, например для приемных антенн в аппаратуре пользователей космических навигационных систем.The basis of the invention is the task of obtaining a wider radiation pattern in omnidirectional command, telemetry and communication radio links, for example for receiving antennas in the equipment of users of space navigation systems.

Поставленная задача решается тем, что микрополосковая антенна, содержащая антенный элемент, высокочастотный кабель с высокочастотным соединителем, на конце, подложка антенного элемента выполнена в виде стаканообразного керамического корпуса, металлизированного изнутри.The problem is solved in that the microstrip antenna containing the antenna element, a high-frequency cable with a high-frequency connector, at the end, the substrate of the antenna element is made in the form of a glass-like ceramic case, metallized from the inside.

На чертеже представлен общий вид заявляемой антенны. Микрополосковая антенна содержит печатный проводник 1, диэлектрическую подложку 2 с нанесенной изнутри металлизацией 3, высокочастотный кабель 4 с высокочастотным соединителем 5 на конце и проводящий экран 6.The drawing shows a General view of the inventive antenna. The microstrip antenna contains a printed conductor 1, a dielectric substrate 2 with metallization 3 applied from the inside, a high-frequency cable 4 with a high-frequency connector 5 at the end, and a conductive screen 6.

Антенный элемент включает в себя печатный проводник 1 и диэлектрическую подложку 2, которая выполнена в виде цилиндрического стакана с нижним фланцем из диэлектрического материала, внутренняя полость которого металлизирована, включая нижний фланец стакана.The antenna element includes a printed conductor 1 and a dielectric substrate 2, which is made in the form of a cylindrical glass with a lower flange of dielectric material, the inner cavity of which is metallized, including the lower flange of the glass.

Печатный проводник 1 расположен на наружной части стакана сверху, а сама подложка с фланцем 2 закреплена на проводящем экране 6.The printed conductor 1 is located on the outer part of the glass from above, and the substrate itself with the flange 2 is fixed on the conductive screen 6.

Высокочастотный кабель 4 одним концом электрически соединен с печатным проводником 1 антенного элемента, внешний проводник кабеля припаян к металлизированному слою 3 внутренней полости подложки 2, а второй конец кабеля соединен с высокочастотным соединителем 5.The high-frequency cable 4 is electrically connected at one end to the printed conductor 1 of the antenna element, the external cable conductor is soldered to the metallized layer 3 of the inner cavity of the substrate 2, and the second end of the cable is connected to the high-frequency connector 5.

При этом высокочастотный кабель проходит через металлизированную внутреннюю полость и отверстие в проводящем экране 6.When this high-frequency cable passes through the metallized inner cavity and the hole in the conductive screen 6.

Место соединения высокочастотного кабеля с антенным элементом выбрано из условия их оптимального согласования по импедансам.The junction of the high-frequency cable with the antenna element is selected from the condition of their optimal matching of impedances.

Проводящий экран 6 электрически соединен с экранной металлизированной внутренней полостью корпуса и служит для создания однонаправленного излучения (приема) высокочастотной антенны. При подаче высокочастотного сигнала на вход антенны в ней возбуждаются высокочастотные колебания определенного типа, а излучение осуществляется за счет поля, «выступающего» из кромок антенны, а именно из зазоров между печатным проводником 1 и нижней металлизированной поверхностью диэлектрической подложки 2.The conductive screen 6 is electrically connected to the screen metallized internal cavity of the housing and serves to create unidirectional radiation (reception) of a high-frequency antenna. When a high-frequency signal is supplied to the antenna input, high-frequency oscillations of a certain type are excited in it, and the radiation is due to the field “protruding” from the edges of the antenna, namely from the gaps between the printed conductor 1 and the lower metallized surface of the dielectric substrate 2.

В заявляемой микрополосковой антенне, как и в аналоге, расширение диаграммы направленности происходит за счет приподнятия печатного проводника 1 антенного элемента над экранной плоскостью 6.In the inventive microstrip antenna, as in the analogue, the radiation pattern is expanded by raising the printed conductor 1 of the antenna element above the screen plane 6.

Приподнятый над экраном 6 микрополосковый излучатель 1 эквивалентен действию двух излучателей: реального и мнимого, расположенного зеркально под экранной плоскостью 6. Суммарная диаграмма направленности двух таких излучателей дает повышение уровня мощности, излучаемой в направлении углов, близких к экранной плоскости. Увеличение этой мощности приводит к расширению диаграммы направленности антенны. Степень расширения диаграммы направленности зависит от высоты поднятия микрополоскового излучателя 1 над экранной плоскостью 6. Поскольку же боковая проводящая поверхность диэлектрической подложки 2 в заявляемой микрополосковой антенне покрыта диэлектрическим слоем, то и мощность, излучаемая в направлении углов, близких к экранной плоскости будет больше, чем в случае отсутствия диэлектрического покрытия на боковой поверхности «пьедестала». Причем увеличение этой мощности будет тем больше, чем выше значение диэлектрической проницаемости материала диэлектрической подложки 1. Как следствие, эффект расширения диаграммы направленности в заявляемой микрополосковой антенне более выражен, чем в аналоге. Именно поэтому введение диэлектрического слоя на боковой поверхности антенного элемента в заявляемой микрополосковой антенне дает дополнительную возможность для расширения диаграммы направленности микрополосковой антенны.The microstrip emitter 1 raised above the screen 6 is equivalent to the action of two emitters: real and imaginary, located specularly below the screen plane 6. The total radiation pattern of two such emitters increases the power level radiated in the direction of angles close to the screen plane. An increase in this power leads to an expansion of the antenna pattern. The degree of expansion of the radiation pattern depends on the height of the microstrip emitter 1 above the screen plane 6. Since the side conductive surface of the dielectric substrate 2 in the inventive microstrip antenna is coated with a dielectric layer, the power radiated in the direction of angles close to the screen plane will be greater than in in the absence of a dielectric coating on the side surface of the "pedestal". Moreover, the increase in this power will be the greater, the higher the dielectric constant of the material of the dielectric substrate 1. As a consequence, the effect of the expansion of the radiation pattern in the inventive microstrip antenna is more pronounced than in the analogue. That is why the introduction of a dielectric layer on the side surface of the antenna element in the inventive microstrip antenna provides an additional opportunity for expanding the radiation pattern of the microstrip antenna.

Claims

A microstrip antenna with a wide radiation pattern containing an antenna element made in the form of a printed conductor with a substrate, a high-frequency cable with a high-frequency connector at the end and a conductive screen, characterized in that the substrate of the antenna element is made of a glass-like shape from a dielectric material with a screen metallized internal cavity, the printed conductor located on top of the dielectric cup is connected to the high-frequency cable through a metallized inner substrate cavity and a hole conductive shield.