RU2314608C1

RU2314608C1 - Aperture-fed wide-pattern microstrip antenna

Info

Publication number: RU2314608C1
Application number: RU2006122429/09A
Authority: RU
Inventors: Юрий Николаевич Королев (RU); Юрий Николаевич Королев; Сергей Николаевич Бойко (RU); Сергей Николаевич Бойко
Priority date: 2006-06-23
Filing date: 2006-06-23
Publication date: 2008-01-10

Abstract

FIELD: antenna engineering; stand-alone antenna or that of phased array that functions to scan beam in broad sector of angles.

SUBSTANCE: proposed aperture-fed wide-pattern microstrip antenna that can be used in space-based navigation systems (GPS, GNSS/GPS) has antenna proper in the form of printed conductor with substrate attached to screen surface, high-frequency cable, high-frequency connector, and power supply board; antenna substrate is made in the form of insulating sleeve with metal-plated internal screen cavity including sleeve end; this cavity has window in metal plating in the form of slit wholly disposed under printed conductor; the latter is disposed on top of insulating sleeve turned upside down; power supply board is disposed on substrate underside; it is essentially printed-circuit board carrying microstrip line that has ground plane in common with antenna in the form of metal plating within sleeve; microstrip line is passed under slit perpendicular to the latter and crosses it in center; high-frequency cable is passed through hole in screen surface and its external conductor is connected to metal-plated layer within sleeve; internal conductor is connected to microstrip line; other end of cable is connected to high-frequency connector and serves to connect transmitting or receiving device.

EFFECT: facilitated manufacture, enhanced reliability of 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).

Заявляемая микрополосковая антенна (МПА) предназначена для приема и передачи радиосигналов и может быть широко использована во всенаправленных командных, телеметрических и связных радиолиниях, в частности в качестве приемной антенны в аппаратуре пользователей космических навигационных систем (GPS, ГЛОНАСС/ GPS и т.п.). Также заявляемая микрополосковая антенна может быть использована в качестве элемента фазированной антенной решетки со сканированием луча в очень широком секторе углов.The inventive microstrip antenna (MPA) is designed to receive and transmit radio signals and can be widely used in omnidirectional command, telemetry and communication radio lines, in particular as a receiving antenna in the equipment of users of space navigation systems (GPS, GLONASS / GPS, etc.) . Also, the inventive microstrip antenna can be used as an element of a phased array antenna with beam scanning in a very wide sector of angles.

Ширина диаграммы направленности микрополосковой антенны (МПА) определяется апертурой печатного проводника антенного элемента - с уменьшением апертуры ширина диаграммы направленности увеличивается. Уменьшение апертуры печатного проводника обычно достигают путем повышения значения диэлектрической проницаемости материала подложки МПА. Однако процесс увеличения диэлектрической проницаемости материала подложки не безграничен, т.к. в конечном счете приводит к падению эффективности излучения МПА.The width of the radiation pattern of a microstrip antenna (MPA) is determined by the aperture of the printed conductor of the antenna element - with a decrease in aperture, the width of the radiation pattern increases. A decrease in the aperture of the printed conductor is usually achieved by increasing the dielectric constant of the MPA substrate material. However, the process of increasing the dielectric constant of the substrate material is not unlimited, because ultimately leads to a decrease in the radiation efficiency of MPA.

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 Н01Q 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 side is the first disk of a metal emitter, a matching element located between the metal emitter and a 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. 154 3483, class IPC H01Q 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 H01Q 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 H01Q 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 микрополосковая антенна с широкой диаграммой направленности, содержащая антенный элемент, выполненный в виде печатного проводника с подложкой, высокочастотный кабель с высокочастотным соединителем на конце и проводящий экран, отличающаяся тем, что подложка антенного элемента выполнена стаканообразной формы из диэлектрического материала с экранной металлизированной внутренней полостью, при этом печатный проводник, расположенный сверху диэлектрического стакана, соединен с высокочастотным кабелем через металлизированную внутреннюю полость подложки и отверстие проводящего экрана (патент РФ №2266591, опубл. 20.12.2005 г.).The closest in technical essence to the proposed device is 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 dielectric material with a screen metallized inner cavity, while a printed conductor located on top of the dielectric with takana, connected to a high-frequency cable through a metallized internal cavity of the substrate and the hole of the conductive screen (RF patent No. 2266591, publ. 12/20/2005).

Недостатком данной микрополосковой антенны является то, что в подложке обязательно должно быть отверстие для прохождения центральной жилы высокочастотного кабеля, что не всегда целесообразно, например в случае выполнения стакана (подложки) из керамики (по технологическим соображениям), необходимости герметичного исполнения антенны или больших температурных воздействиях на внешнюю поверхность антенны (также по технологическим соображениям).The disadvantage of this microstrip antenna is that there must be a hole in the substrate for the central core of the high-frequency cable to pass, which is not always advisable, for example, in the case of making a glass (substrate) of ceramic (for technological reasons), the need for a sealed antenna or high temperature effects on the outer surface of the antenna (also for technological reasons).

Технический результат заключается в повышении технологичности изготовления антенны.The technical result is to increase the manufacturability of the antenna.

Указанный технический результат достигается апертурно-запитываемой микрополосковой антенной с широкой диаграммой направленности, содержащей антенный элемент, выполненный в виде печатного проводника с подложкой, закрепленной на экранной плоскости, высокочастотный кабель, высокочастотный соединитель и питающую плату, при этом подложка антенного элемента выполнена стаканообразной формы из диэлектрического материала с экранной металлизированной внутренней полостью включая торец стакана, которая имеет «окно» в металлизации в виде щели, расположенной полностью под печатным проводником, печатный проводник расположен на вершине перевернутого диэлектрического стакана, питающая плата расположена на нижней поверхности подложки и представляет собой печатную плату с микрополосковой линией, которая имеет общую с антенным элементом земляную плоскость, в качестве которой служит металлизация внутренней полости стакана, а микрополосковая линия проходит под щелью перпендикулярно ей и пересекает ее в центре, высокочастотный кабель проходит в отверстие в экранной плоскости, и внешний проводник высокочастотного кабеля подключен к металлизированному слою внутренней полости стакана, а внутренний проводник соединен с микрополосковой линией, второй конец кабеля соединен с высокочастотным соединителем и служит для подключения передающего или приемного устройства.The specified technical result is achieved by an aperture-fed microstrip antenna with a wide radiation pattern containing an antenna element made in the form of a printed conductor with a substrate mounted on the screen plane, a high-frequency cable, a high-frequency connector and a power board, while the substrate of the antenna element is made of a glass-like dielectric material with a screen metallized internal cavity including the end of the glass, which has a “window” in the metallization in the form of located completely under the printing conductor, the printing conductor is located on the top of the inverted dielectric cup, the power board is located on the bottom surface of the substrate and is a printed circuit board with a microstrip line, which has a ground plane common with the antenna element, which is the metallization of the inner cavity of the glass and the microstrip line runs under the slot perpendicular to it and crosses it in the center, the high-frequency cable passes into the hole in the screen plane, and the outer conductor of the high-frequency cable is connected to the metallized layer of the inner cavity of the glass, and the inner conductor is connected to the microstrip line, the second end of the cable is connected to the high-frequency connector and is used to connect the transmitting or receiving device.

На чертеже приведена структурная электрическая схема апертурно-запитываемой микрополосковой антенны с широкой диаграммой направленности. Апертурно-запитываемая микрополосковая антенна с широкой диаграммой направленности содержит печатный проводник 1, диэлектрическую подложку 2 с металлизированной внутренней полостью 3, питающую плату 4, высокочастотный кабель 5 с высокочастотным соединителем 6 на конце и экранную плоскость 7. Печатный проводник 1 и диэлектрическая подложка 2 составляют антенный элемент, причем диэлектрическая подложка 2 выполнена в виде перевернутого стакана с металлизированной внутренней полостью включая торец стакана, которая имеет «окно» в металлизации в виде щели 8, расположенной полностью под печатным проводником 1. Сам печатный проводник 1 имеет размеры, превышающие размеры щели и расположен на внешней стороне вершины стакана, который закреплен на экранной плоскости 7.The drawing shows a structural electrical diagram of an aperture-fed microstrip antenna with a wide radiation pattern. An aperture-fed microstrip antenna with a wide radiation pattern includes a printed conductor 1, a dielectric substrate 2 with a metallized internal cavity 3, a power board 4, a high-frequency cable 5 with a high-frequency connector 6 at the end, and a screen plane 7. The printed conductor 1 and the dielectric substrate 2 comprise an antenna element, and the dielectric substrate 2 is made in the form of an inverted glass with a metallized internal cavity including the end of the glass, which has a “window” in the metallization and in the form of a slit 8, located completely below the printing conductor 1. The printing conductor 1 itself has dimensions exceeding the dimensions of the slit and is located on the outer side of the top of the glass, which is fixed on the screen plane 7.

Питающая плата представляет собой печатную плату с микрополосковой линией 9, которая имеет общую с антенным элементом земляную плоскость, в качестве которой служит металлизация 3 внутренней полости стакана. Микрополосковая линия проходит под щелью перпендикулярно ей и пересекает ее в центре. Волновое сопротивление микрополосковой линии 9 выбирается равным волновому сопротивлению высокочастотного кабеля 5. Расположение щели 8 относительно печатного проводника 1, размеры щели и длина отрезка микрополосковой линии, выходящего за ширину щели, находятся расчетным путем, в том числе и для случая работы антенны в режиме круговой поляризации. Высокочастотный кабель 5 одним концом электрически соединен с микрополосковой линией 9, причем внешний проводник кабеля припаян к металлизированному слою 3 внутренней полости стакана, а второй конец кабеля соединен с высокочастотным соединителем 6. При этом высокочастотный кабель проходит через металлизированную внутреннюю полость стакана и отверстие в экранной плоскости 7. Высокочастотный соединитель 6 служит для подключения передающего или приемного устройства. Экранная плоскость 7 электрически соединена с экранной металлизированной внутренней полостью стакана и служит для создания однонаправленного излучения (приема) микрополосковой антенны.The power board is a printed circuit board with a microstrip line 9, which has a common ground plane with the antenna element, which is metallized 3 of the inner cavity of the glass. The microstrip line runs under the slit perpendicular to it and crosses it in the center. The wave resistance of the microstrip line 9 is chosen equal to the wave resistance of the high-frequency cable 5. The location of the slit 8 relative to the printed conductor 1, the dimensions of the slit and the length of the length of the microstrip line extending beyond the width of the slit are calculated, including for the case of operation of the antenna in circular polarization mode . The high-frequency cable 5 is electrically connected at one end to the microstrip line 9, the outer conductor of the cable being soldered to the metallized layer 3 of the inner cavity of the cup, and the second end of the cable connected to the high-frequency connector 6. In this case, the high-frequency cable passes through the metallized inner cavity of the cup and the hole in the screen plane 7. The high-frequency connector 6 is used to connect a transmitting or receiving device. The screen plane 7 is electrically connected to the screen metallized inner cavity of the glass and serves to create unidirectional radiation (reception) of the microstrip antenna.

Принцип работы микрополосковой антенны хорошо известен и состоит в том, что 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 антенного элемента и экранной плоскостью. В качестве экранной плоскости обычно используется нижняя металлизированная поверхность диэлектрической подложки. Ширина диаграммы направленности (ДН) определяется апертурой печатного проводника 1 антенного элемента, которая в свою очередь для фиксированной рабочей частоты обратно пропорциональна величине диэлектрической проницаемости материала диэлектрической подложки. С увеличением диэлектрической проницаемости подложки апертура печатного проводника уменьшается, а ширина ДН увеличивается. Это свойство чаще всего используется для расширения ДН микрополосковых антенн. Однако уменьшение апертуры печатного проводника 1 в конце концов ведет к падению эффективности излучения микрополосковой антенны.The principle of operation of a microstrip antenna is well known and consists in the fact that when a high-frequency signal is fed 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 of the antenna element and screen plane. As the screen plane, the lower metallized surface of the dielectric substrate is usually used. The width of the radiation pattern (ND) is determined by the aperture of the printed conductor 1 of the antenna element, which, in turn, for a fixed operating frequency is inversely proportional to the dielectric constant of the material of the dielectric substrate. With an increase in the dielectric constant of the substrate, the aperture of the printed conductor decreases, and the beam width increases. This property is most often used to expand the bottom of microstrip antennas. However, a decrease in the aperture of the printed conductor 1 ultimately leads to a decrease in the radiation efficiency of the microstrip antenna.

В заявляемой микрополосковой антенне расширение диаграммы направленности происходит за счет приподнимания антенного элемента, состоящего из печатного проводника 1 и металлизированной снизу диэлектрической подложки 2 над экранной плоскостью 7. Выполняется это путем формования диэлектрической подложки 2 с металлизированной нижней поверхностью 3 в виде перевернутого стакана, на вершине которого и располагается печатный проводник 1 произвольной формы. Приподнятый над проводящим экраном 7 антенный элемент эквивалентен действию двух излучателей: реального и мнимого, расположенного зеркально под экранной плоскостью 7. Суммарная ДН двух таких излучателей дает повышение уровня мощности, излучаемой в направлении углов, близких к экранной плоскости. Увеличение этой мощности приводит к расширению ДН микрополосковой антенны. Дополнительный эффект по расширению ДН дает наличие на боковой проводящей поверхности антенного элемента диэлектрического слоя. Степень расширения ДН зависит от высоты поднятия антенного элемента 1 над экранной плоскостью 5 и значения диэлектрической проницаемости материала подложки - чем выше это значение, тем шире ДН вследствие действия двух факторов: уменьшения размеров печатного проводника и «вытягивания» поля в сторону боковой проводящей поверхности стакана, покрытого диэлектриком.In the inventive microstrip antenna, the radiation pattern is expanded by raising the antenna element, consisting of a printed conductor 1 and a metallized bottom dielectric substrate 2 above the screen plane 7. This is done by molding the dielectric substrate 2 with a metallized bottom surface 3 in the form of an inverted cup, on top of which and there is a printed conductor 1 of arbitrary shape. The antenna element raised above the conductive screen 7 is equivalent to the action of two emitters: real and imaginary, located specularly below the screen plane 7. The total beam of two such emitters gives an increase in the power level radiated in the direction of angles close to the screen plane. The increase in this power leads to the expansion of the bottom of the microstrip antenna. An additional effect on the expansion of the DN gives the presence on the lateral conductive surface of the antenna element of the dielectric layer. The degree of DN expansion depends on the height of the antenna element 1 above the screen plane 5 and the dielectric constant of the substrate material - the higher this value, the wider the DN due to two factors: reducing the size of the printed conductor and “pulling” the field toward the side of the conducting glass surface, dielectric coated.

Возбуждение заявляемой микрополосковой антенны осуществляется от микрополосковой линии 9 через щелевое «окно» 8 (апертуру), расположенное в металлизации 3 внутренней части стакана под печатным проводником 1. Микрополосковая линия 9, пересекая щель 8 в перпендикулярном направлении (направление тока в линии при этом совпадает с направление электрических силовых линий в щели), возбуждает ее, а щель, в свою очередь, возбуждает антенный элемент. Щель при этом располагается таким образом, что она пересекает токи в металлизации 3 для рабочего типа колебаний антенного элемента.The claimed microstrip antenna is excited from the microstrip line 9 through the slotted “window” 8 (aperture) located in the metallization 3 of the inner part of the glass under the printed conductor 1. The microstrip line 9 intersects the slot 8 in the perpendicular direction (the direction of the current in the line coincides with direction of electric lines of force in the gap) excites it, and the gap, in turn, excites the antenna element. The gap is located in such a way that it crosses the currents in the metallization 3 for the working type of oscillation of the antenna element.

Claims

An aperture-fed microstrip antenna with a wide radiation pattern, containing an antenna element made in the form of a printed conductor with a substrate mounted on the screen plane, a high-frequency cable, a high-frequency connector and a power board, while the substrate of the antenna element is made of a glass-like shape from a dielectric material with a metallic screen internal cavity, including the end of the glass, which has a “window” in the metallization in the form of a slit located completely under the printed wire On the other hand, the printed conductor is located on top of the inverted dielectric cup, the power board is located on the bottom surface of the substrate and is a printed circuit board with a microstrip line, which has a ground plane common with the antenna element, which is metallization of the inner cavity of the glass, and the microstrip line runs under slit perpendicular to it and crosses it in the center, the high-frequency cable passes into the hole in the screen plane and the external conductor of the high-frequency cable dklyuchen metallization layer to the inner cavity of the glass, and the inner conductor connected to the microstrip line, the other end is connected to a high frequency connector is used to connect a transmitter or receiver.