RU2400880C1 - Printed antenna - Google Patents

Printed antenna Download PDF

Info

Publication number
RU2400880C1
RU2400880C1 RU2009139419/07A RU2009139419A RU2400880C1 RU 2400880 C1 RU2400880 C1 RU 2400880C1 RU 2009139419/07 A RU2009139419/07 A RU 2009139419/07A RU 2009139419 A RU2009139419 A RU 2009139419A RU 2400880 C1 RU2400880 C1 RU 2400880C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
metal layer
dielectric layer
layer
lower dielectric
excitation
Prior art date
Application number
RU2009139419/07A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Евгеньевич Банков (RU)
Сергей Евгеньевич Банков
Александр Георгиевич Давыдов (RU)
Александр Георгиевич Давыдов
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Московское конструкторское бюро "Компас"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Московское конструкторское бюро "Компас" filed Critical Открытое акционерное общество "Московское конструкторское бюро "Компас"
Priority to RU2009139419/07A priority Critical patent/RU2400880C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2400880C1 publication Critical patent/RU2400880C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Waveguide Aerials (AREA)

Abstract

FIELD: radio engineering. ^ SUBSTANCE: in printed antenna which contains lower dielectric layer (1), upper dielectric layer (2), lower metal layer (3) located on lower surface of lower dielectric layer (1), middle metal layer (4) located between upper dielectric layer (2) and lower dielectric layer (1) and upper metal layer (5) located on upper surface of upper dielectric layer (2) and excitation elements (8), there introduced are four connection straps (6) connecting upper metal layer (5) and lower metal layer (3) without electrical contact to middle metal layer (4), and crossed slot (7) is made in upper metal layer (5). ^ EFFECT: decreasing dimensions, providing reception and transmission of waves with circular polarisation at maintaining working frequencies. ^ 5 cl, 11 dwg

Description

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве антенны приемного устройства спутниковой навигации.The invention relates to antenna technology and can be used as an antenna of a receiving device for satellite navigation.

Печатные антенны, в том числе одиночные излучатели и решетки, нашли широкое применение в различных радиоэлектронных системах. К числу их достоинств относятся малые габариты, высокая технологичность и низкая стоимость, надежность и т.д. Известны простейшие печатные антенны, имеющие один диэлектрический слой, на поверхности которого нанесены металлические слои (Т.Haddrell, J P.Bickerstaff, M. Phocas. Realisable GPS Antennas for Integrated Hand Held products. ION GNSS 18th International Technical Meeting of the Satellite Division, 13-16 September 2005, Long Beach, CA). Как правило, диэлектрический и металлические слои имеют прямоугольную форму или форму круга. Связь такой антенны с внешними устройствами обеспечивается с помощью элемента возбуждения. Часто в качестве элемента возбуждения используют коаксиальный кабель, центральный проводник которого имеет контакт с одним металлическим слоем, а внешний проводник - с другим. Возможны также и другие элементы возбуждения, например технологичный элемент возбуждения полосковой линией через щель.Printed antennas, including single emitters and arrays, are widely used in various electronic systems. Their advantages include small dimensions, high adaptability and low cost, reliability, etc. The simplest printed antennas are known having a single dielectric layer on the surface of which metal layers are applied (T. Haddrell, J P. Bickerstaff, M. Phocas. Realisable GPS Antennas for Integrated Hand Held products. ION GNSS 18th International Technical Meeting of the Satellite Division, 13-16 September 2005, Long Beach, CA). Typically, the dielectric and metal layers have a rectangular shape or a circle shape. The connection of such an antenna with external devices is provided using an excitation element. Often a coaxial cable is used as an excitation element, the central conductor of which has contact with one metal layer, and the external conductor with another. Other excitation elements are also possible, for example, a technological excitation element by a strip line through a slit.

Известны также печатные антенны с круговой поляризацией. Они могут иметь форму круга или квадрата (Патент США №6326923) или близкую к ним. Точный выбор формы зависит от числа элементов возбуждения, которые используются для связи с внешней схемой. Если антенна имеет один элемент связи, то форма антенны, то есть форма диэлектрического и металлического слоев, близка к квадрату или кругу, но не совпадает с ними полностью. При использовании двух элементов связи антенна имеет строго круглую или квадратную форму. В более общем случае ее форма должна иметь симметрию поворота на 90 градусов.Circularly polarized printed antennas are also known. They may be in the shape of a circle or square (US Patent No. 6326923) or close to them. The exact choice of shape depends on the number of excitation elements that are used to communicate with the external circuit. If the antenna has one communication element, then the shape of the antenna, that is, the shape of the dielectric and metal layers, is close to a square or circle, but does not completely coincide with them. When using two communication elements, the antenna has a strictly round or square shape. In a more general case, its shape should have a 90 degree rotation symmetry.

Наиболее близким техническим решением к заявляемой антенне является печатная антенна, содержащая два диэлектрических слоя, расположенных один над другим, и три металлических слоя (Патент США №5124733). Такая антенна обеспечивает работу в двух разнесенных диапазонах частот. Недостатком данной антенны являются большие габариты. Габариты печатной антенны приближенно определяются условиями резонанса в резонаторе, образованном двумя металлическими слоями и слоем диэлектрика, расположенным между ними. Антенна эффективно функционирует, когда рабочая частота близка к частоте резонанса. Условия, определяющие резонансную частоту антенны прямоугольной формы, имеют следующий вид:The closest technical solution to the claimed antenna is a printed antenna containing two dielectric layers located one above the other and three metal layers (US Patent No. 5124733). Such an antenna provides operation in two separated frequency ranges. The disadvantage of this antenna is its large dimensions. The dimensions of the printed antenna are approximately determined by the resonance conditions in the resonator formed by two metal layers and a dielectric layer located between them. The antenna functions effectively when the operating frequency is close to the resonance frequency. The conditions determining the resonant frequency of a rectangular antenna are as follows:

Figure 00000001
Figure 00000001

где a - длина одной из сторон антенн, λ0 - длина волны в свободном пространстве, ε - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрического слоя. Из формулы (1) видно, что при фиксированной длине волны (частоте) размеры печатной антенны могут быть уменьшены только за счет увеличения диэлектрической проницаемости. Этот способ часто используется на практике, но платой за уменьшение размеров служит увеличение добротности антенны Q и, как следствие, сужение ее полосы рабочих частот.where a is the length of one of the sides of the antennas, λ 0 is the wavelength in free space, ε is the relative permittivity of the dielectric layer. From formula (1) it can be seen that at a fixed wavelength (frequency), the dimensions of the printed antenna can only be reduced by increasing the dielectric constant. This method is often used in practice, but the cost for reducing the size is to increase the Q factor of the Q antenna and, as a result, narrow its operating frequency band.

Известно, что размеры печатной антенны могут быть уменьшены при использовании короткозамыкателей (S. Dey and R. Mittra, "Compact microstrip patch antenna", Microwave and Optical Technology Letters, 1996, N13, p.12-14). Размеры такой антенны вдвое меньше, чем в случае, рассмотренном выше. Они близки к четверти длины волны в среде с проницаемостью диэлектрического слоя. Недостатком такой антенны является невозможность работы на круговой поляризации излучаемых (принимаемых) волн.It is known that the dimensions of a printed antenna can be reduced by using short-circuiting devices (S. Dey and R. Mittra, "Compact microstrip patch antenna", Microwave and Optical Technology Letters, 1996, N13, p.12-14). The size of such an antenna is half that of the case discussed above. They are close to a quarter of the wavelength in a medium with a permittivity of the dielectric layer. The disadvantage of this antenna is the inability to work on the circular polarization of the emitted (received) waves.

Предлагаемое техническое решение нацелено на получение технического результата, выражающегося в уменьшении размеров печатной антенны, обеспечении приема и передачи волн с круговой поляризацией при сохранении полосы рабочих частот.The proposed technical solution is aimed at obtaining a technical result, expressed in reducing the size of the printed antenna, providing reception and transmission of waves with circular polarization while maintaining the operating frequency band.

Эти задачи решаются за счет того, что в печатной антенне, содержащей нижний диэлектрический слой, верхний диэлектрический слой, нижний металлический слой, расположенный на нижней поверхности нижнего диэлектрического слоя, средний металлический слой, расположенный между верхним и нижним диэлектрическими слоями, и верхний металлический слой, расположенный на верхней поверхности верхнего диэлектрического слоя, и элементы возбуждения, введены четыре перемычки, соединяющие верхний металлический слой и нижний металлический слой без электрического контакта со средним металлическим слоем, а в верхнем металлическом слое выполнена крестообразная щель.These problems are solved due to the fact that in the printing antenna containing the lower dielectric layer, the upper dielectric layer, the lower metal layer located on the lower surface of the lower dielectric layer, the middle metal layer located between the upper and lower dielectric layers, and the upper metal layer, located on the upper surface of the upper dielectric layer, and the excitation elements, four jumpers are introduced connecting the upper metal layer and the lower metal layer without electric nical contact with secondary metal layer, and a top metal layer formed cruciform slot.

Возможны дополнительные варианты выполнения печатной антенны, в которых:There are additional options for the implementation of the printed antenna, in which:

- нижний диэлектрический слой и верхний диэлектрический слой, а также нижний металлический слой, средний металлический слой и верхний металлический слой выполнены квадратной формы, а крестообразная щель имеет длину, равную стороне верхнего металлического слоя, перемычки расположены на диагоналях нижнего диэлектрического слоя на одинаковом расстоянии от его центра и выполнены в виде металлических проводников, соединяющих нижний металлический слой и верхний металлический слой без электрического контакта со средним металлическим слоем;- the lower dielectric layer and the upper dielectric layer, as well as the lower metal layer, the middle metal layer and the upper metal layer are square in shape, and the cross-shaped slit has a length equal to the side of the upper metal layer, jumpers are located on the diagonals of the lower dielectric layer at the same distance from it center and made in the form of metal conductors connecting the lower metal layer and the upper metal layer without electrical contact with the middle metal layer ;

- печатная антенна содержит два элемента возбуждения, расположенные в нижнем диэлектрическом слое на одинаковом расстоянии от его центра, а угол между прямыми, соединяющими элементы возбуждения и центр нижнего диэлектрического слоя, равен 90 градусам;- the printed antenna contains two excitation elements located in the lower dielectric layer at the same distance from its center, and the angle between the straight lines connecting the excitation elements and the center of the lower dielectric layer is 90 degrees;

- печатная антенна содержит четыре элемента возбуждения, расположенные в нижнем диэлектрическом слое на одинаковом расстоянии от его центра, причем элементы возбуждения установлены на ортогональных прямых, параллельных плоскости нижнего диэлектрического слоя и проходящих через его центр;- the printed antenna contains four excitation elements located in the lower dielectric layer at the same distance from its center, and the excitation elements are mounted on orthogonal lines parallel to the plane of the lower dielectric layer and passing through its center;

- печатная антенна содержит один элемент возбуждения, расположенный в нижнем диэлектрическом слое на его диагонали, а средний металлический слой выполнен в виде фигуры, имеющей две ортогональные плоскости симметрии, перпендикулярные нижнему и верхнему диэлектрическим слоям.- the printed antenna contains one excitation element located in the lower dielectric layer on its diagonal, and the middle metal layer is made in the form of a figure having two orthogonal planes of symmetry perpendicular to the lower and upper dielectric layers.

Один из возможных вариантов выполнения печатной антенны показан на фиг.1, 2. На фиг.1 показан общий вид антенны, содержащей нижний диэлектрический слой (1), верхний диэлектрический слой (2), нижний металлический слой (3), средний металлический слой (4) и верхний металлический слой (5), перемычки (6), крестообразную щель (7), а на фиг.2 показан нижний диэлектрический слой (1), нижний металлический слой (3), средний металлический слой (4), перемычки (6) и элемент (8) возбуждения. Все слои имеют квадратную форму.One possible embodiment of a printed antenna is shown in FIGS. 1, 2. FIG. 1 shows a general view of an antenna comprising a lower dielectric layer (1), an upper dielectric layer (2), a lower metal layer (3), a middle metal layer ( 4) and the upper metal layer (5), jumpers (6), a cross-shaped slit (7), and figure 2 shows the lower dielectric layer (1), the lower metal layer (3), the middle metal layer (4), jumpers ( 6) and the element (8) of excitation. All layers are square.

Функционирование печатной антенны наиболее простым образом можно понять, рассматривая ее как объемный резонатор, имеющий ряд собственных колебаний, характеризующихся резонансными частотами, добротностями и распределением поля. Анализ собственных колебаний объемного резонатора проводится обычно без учета элемента возбуждения, который достаточно легко учесть позднее для расчета внешних параметров антенны.The functioning of a printed antenna can be understood in the simplest way, considering it as a cavity resonator having a number of natural oscillations characterized by resonant frequencies, Q factors, and field distribution. An analysis of the natural oscillations of the cavity resonator is usually carried out without taking into account the excitation element, which is easy enough to take into account later for calculating the external parameters of the antenna.

Собственные колебания объемного резонатора, имеющего две плоскости симметрии, удобно рассматривать в рамках принципа симметрии. В соответствии с этим принципом анализ электромагнитного поля в структуре, имеющей две плоскости симметрии, можно свести к анализу четырех парциальных структур, показанных на фиг.3. Для простоты будем рассматривать случай, когда все слои имеют квадратную форму и одинаковые размеры. Пусть длина стороны квадрата равна a. Также рассмотрим случай одинаковых проницаемостей верхнего и нижнего диэлектрических слоев.It is convenient to consider the natural vibrations of a cavity resonator having two planes of symmetry within the framework of the principle of symmetry. In accordance with this principle, the analysis of the electromagnetic field in a structure having two planes of symmetry can be reduced to an analysis of the four partial structures shown in FIG. For simplicity, we will consider the case when all layers have a square shape and the same size. Let the side length of the square be a. We also consider the case of identical permeabilities of the upper and lower dielectric layers.

Каждая из парциальных структур является четвертью исходной структуры, полученной ее сечением по плоскостям симметрии. Парциальные структуры отличаются друг от друга видом граничных условий, установленных в плоскостях симметрии. Это могут быть условия равенства нулю тангенциальных компонент электрического поля:Each of the partial structures is a quarter of the initial structure obtained by its section along the planes of symmetry. Partial structures differ from each other in the type of boundary conditions established in the planes of symmetry. These can be conditions for the tangential components of the electric field to be equal to zero:

Figure 00000002
Figure 00000002

или магнитного поля:or magnetic field:

Figure 00000003
Figure 00000003

В первом случае говорят об электрической стенке, а во втором - о магнитной.In the first case, they speak of an electric wall, and in the second, of a magnetic wall.

Рабочими колебаниями являются колебания 1 и 2. Они формируются путем переотражений Т-волн нижнего диэлектрического слоя (1) и верхнего диэлектрического слоя (2) с металлизированными поверхностями. Рассмотрим этот процесс подробнее на примере колебания 2. Т-волна бежит по нижнему диэлектрическому слою (1) от электрической стенки по направлению, указанному верхней стрелкой. Она добегает до перемычки (6) и переходит на верхний диэлектрический слой (2), при этом изменяя направление движения на обратное, как показано на фиг.4. Для передачи энергии Т-волны с нижнего диэлектрического слоя (1) на верхний диэлектрический слой (2) перемычки (6) не должны иметь электрический контакт со средним металлическим слоем (4). Далее Т-волна добегает до крестообразной щели (7), в середине которой располагается электрическая стенка. Щель с электрической стенкой пропускает волну, которая частично излучается через крестообразную щель (7) в свободное пространство. Излучение в свободное пространство эквивалентно потерям мощности, за счет которых добротность резонатора имеет конечное значение. Оставшаяся часть мощности отражается от крестообразной щели (7) и двигается в обратном направлении, проходя через перемычки (6) на нижний диэлектрический слой (1) и доходя до электрической стенки. Процесс затем повторяется периодически. Отметим, что переход со слоя на слой через щель с магнитной стенкой невозможен.Working vibrations are vibrations 1 and 2. They are formed by re-reflections of the T-waves of the lower dielectric layer (1) and the upper dielectric layer (2) with metallized surfaces. Let us consider this process in more detail using the example of oscillation 2. The T-wave runs along the lower dielectric layer (1) from the electric wall in the direction indicated by the upper arrow. She reaches the jumper (6) and passes to the upper dielectric layer (2), while changing the direction of movement to the opposite, as shown in Fig.4. To transfer T-wave energy from the lower dielectric layer (1) to the upper dielectric layer (2), the jumpers (6) should not have electrical contact with the middle metal layer (4). Next, the T-wave reaches a cross-shaped slit (7), in the middle of which there is an electric wall. A slit with an electric wall passes a wave, which is partially emitted through a cross-shaped slit (7) into free space. Radiation into free space is equivalent to power losses, due to which the resonator Q factor has a finite value. The remaining part of the power is reflected from the cross-shaped slit (7) and moves in the opposite direction, passing through the jumpers (6) to the lower dielectric layer (1) and reaching the electric wall. The process is then repeated periodically. Note that the transition from layer to layer through a slit with a magnetic wall is impossible.

Таким образом, каждый парциальный резонатор (см. фиг.3 и 4) представляет собой отрезок линии передачи, который закорочен электрической стенкой на одном конце и имеет нагрузку типа холостой ход на другом конце. Эта нагрузка моделирует крестообразную щель (7). Резонанс в таком резонаторе наступает, когда длина линии равна четверти длины волны, в среде, заполняющей линию. Нетрудно увидеть, что условия резонанса в рассматриваемом случае записываются следующим образом:Thus, each partial resonator (see FIGS. 3 and 4) is a segment of a transmission line that is shorted by an electrical wall at one end and has an idle load at the other end. This load simulates a crosswise gap (7). Resonance in such a resonator occurs when the line length is equal to a quarter of the wavelength in the medium filling the line. It is easy to see that the resonance conditions in the case under consideration are written as follows:

Figure 00000004
Figure 00000004

Сравнивая формулы (1) и (4), легко увидеть, что предлагаемая антенна имеет вдвое меньшие размеры по сравнению с известной печатной антенной.Comparing formulas (1) and (4), it is easy to see that the proposed antenna has half the size compared to the known printed antenna.

Колебания 1 и 2 отличаются друг от друга только структурой полей. Они тождественны за исключением поворота на 90 градусов. Этот поворот обусловлен тем, что стенки с одинаковыми граничными условиями также развернуты относительно друг друга на 90 градусов. Тождество полей обоих колебаний обусловливает их одинаковые резонансные частоты. Таким образом, мы можем сделать вывод, что в рассматриваемом резонаторе существуют два колебания с одинаковыми резонансными частотами, которые повернуты относительно друг друга на 90 градусов. Это создает возможность излучения (приема) волн с круговой поляризацией. Волна с круговой поляризацией - это суперпозиция двух линейно поляризованных волн. Причем эти волны повернуты в пространстве на 90 градусов и колеблются со сдвигом фазы также на 90 градусов. Если возбудить колебания 1 и 2 со сдвигом фаз 90 градусов, то они излучат в свободное пространство волну с круговой поляризацией, поскольку в пространстве они уже развернуты на нужный угол.Oscillations 1 and 2 differ from each other only in the structure of the fields. They are identical except for a rotation of 90 degrees. This rotation is due to the fact that the walls with the same boundary conditions are also rotated relative to each other by 90 degrees. The identity of the fields of both oscillations determines their identical resonant frequencies. Thus, we can conclude that in the resonator under consideration there are two oscillations with the same resonant frequencies, which are rotated 90 degrees relative to each other. This creates the possibility of radiation (reception) of waves with circular polarization. A circularly polarized wave is a superposition of two linearly polarized waves. Moreover, these waves are rotated in space by 90 degrees and oscillate with a phase shift also by 90 degrees. If vibrations 1 and 2 are excited with a phase shift of 90 degrees, they will emit a wave with circular polarization into free space, since in space they are already deployed to the desired angle.

Колебание 3 не является рабочим. Движение Т-волн при таком размещении электрических стенок оказывается невозможным, так как каждая из них расположена вдоль направления распространения одной из Т-волн и, таким образом, препятствует ее движению. В линии передачи с продольной электрической стенкой формируются волноводные волны. Колебания на их основе имеют резонансные частоты, намного превышающие резонансные частоты рабочих колебаний 1 и 2.Fluctuation 3 is not working. The movement of T-waves with this arrangement of electric walls is impossible, since each of them is located along the direction of propagation of one of the T-waves and, thus, prevents its movement. In a transmission line with a longitudinal electric wall, waveguide waves are formed. Oscillations based on them have resonant frequencies far exceeding the resonant frequencies of the working oscillations 1 and 2.

Наконец, колебание 4. Оно также относится к числу нерабочих, поскольку оно не имеет щелей с электрической стенкой и волны не могут излучаться в свободное пространство, так как щель с магнитной стенкой не пропускает электромагнитное излучение.Finally, oscillation 4. It also belongs to the number of non-working ones, since it does not have gaps with an electric wall and waves cannot be emitted into free space, since a gap with a magnetic wall does not transmit electromagnetic radiation.

Выше уже было сказано, что реализация режима круговой поляризации требует возбуждения двух рабочих колебаний со сдвигом фазы в 90 градусов. Такое возбуждение реализуется с помощью разных схем, отличающихся числом элементов возбуждения. Первая схема содержит один элемент (8) возбуждения. Она показана на фиг.5.It was already said above that the implementation of the circular polarization regime requires the excitation of two working oscillations with a phase shift of 90 degrees. Such excitation is realized using different schemes, differing in the number of excitation elements. The first circuit contains one element (8) of excitation. She is shown in figure 5.

В этом случае средний металлический слой (4) выполнен в виде геометрической фигуры, имеющей две плоскости симметрии. В частном случае, изображенном на фиг.5, эта фигура может быть прямоугольником со сторонами a и b. Плоскости симметрии при пересечении образуют прямую, которая совпадает с осью симметрии нижнего диэлектрического слоя (1), который имеет форму квадрата. Эта ось проходит через центр квадрата и перпендикулярна его плоскости. Элемент (8) возбуждения расположен на диагонали нижнего диэлектрического слоя (1).In this case, the middle metal layer (4) is made in the form of a geometric figure having two planes of symmetry. In the particular case shown in figure 5, this figure can be a rectangle with sides a and b. The intersection planes of symmetry form a straight line that coincides with the axis of symmetry of the lower dielectric layer (1), which has the shape of a square. This axis passes through the center of the square and is perpendicular to its plane. The element (8) of the excitation is located on the diagonal of the lower dielectric layer (1).

Отсутствие симметрии поворота на 90 градусов у среднего металлического слоя приводит к тому, что резонансные частоты колебаний 1 и 2 немного расстраиваются: f1≠f2. В силу того, что элемент (8) возбуждения расположен на диагонали нижнего диэлектрического слоя (1), он возбуждает оба колебания с близкой интенсивностью. Каждое колебание излучает волну с линейной поляризацией. В частности, колебание 1 излучает волну, имеющую в направлении оси 0z компоненту электрического поля Ey, а колебание 2 - компоненту Ex. Зависимость амплитуд этих компонент поля от частоты описывается следующими формулами:The lack of 90 degree rotation symmetry in the middle metal layer leads to the fact that the resonance frequencies of oscillations 1 and 2 are a little upset: f 1 ≠ f 2 . Due to the fact that the excitation element (8) is located on the diagonal of the lower dielectric layer (1), it excites both oscillations with a similar intensity. Each oscillation emits a linearly polarized wave. In particular, vibration 1 emits a wave having an electric field component E y in the direction of the 0z axis, and vibration 2 - component E x . The frequency dependence of the amplitudes of these field components is described by the following formulas:

Figure 00000005
Figure 00000005

где Q - добротность колебания. Из формул (5) видно, что если расстроить колебания на полосу пропускания контура:where Q is the quality factor of the oscillation. From formulas (5) it can be seen that if the oscillations are disordered into the bandwidth of the circuit:

Figure 00000006
Figure 00000006

то на центральной частоте f0 ортогональные компоненты поля имеют одинаковую амплитуду и сдвинуты по фазе на 90 градусов. Таким образом, достигается требуемый режим возбуждения рабочих колебаний, обеспечивающий излучение поля с круговой поляризацией.then at the center frequency f 0 the orthogonal field components have the same amplitude and are 90 degrees out of phase. Thus, the required mode of excitation of the working oscillations is achieved, which ensures radiation of the field with circular polarization.

Недостатком описанной выше схемы возбуждения является то, что выполнение условий для круговой поляризации вступает в противоречие с условием согласования антенны. На фиг.6 показана типичная зависимость модуля коэффициента отражения от частоты для колебаний, расстроенных в соответствии с формулами (6).The disadvantage of the above-described excitation scheme is that the fulfillment of the conditions for circular polarization contradicts the condition for matching the antenna. Figure 6 shows a typical dependence of the modulus of the reflection coefficient on frequency for oscillations detuned in accordance with formulas (6).

Из фиг.6 видно, что на центральной частоте антенна принципиально не может быть полностью согласована, что приводит к снижению ее коэффициента усиления. Таким образом, мы имеем дело с техническим противоречием между требованием согласования и требованием обеспечения круговой поляризации. Это противоречие не может быть устранено в рамках схемы питания с одним элементом возбуждения. Оно устраняется в схемах питания с несколькими элементами возбуждения. Наибольший положительный эффект дает схема с четырьмя элементами (8) возбуждения. Она показана на фиг.8б.From Fig.6 it can be seen that at the center frequency the antenna cannot fundamentally be fully matched, which leads to a decrease in its gain. Thus, we are dealing with a technical contradiction between the requirement of matching and the requirement of ensuring circular polarization. This contradiction cannot be eliminated within the framework of a power supply circuit with one excitation element. It is eliminated in power circuits with several excitation elements. The greatest positive effect is provided by the circuit with four elements (8) of excitation. She is shown in figb.

При использовании четырех элементов (8) возбуждения все диэлектрические и металлические слои выполняются квадратной формы. Напряжения на элементах (8) возбуждения 1-4 имеют одинаковую амплитуду и сдвинуты по фазе относительно друг друга на ±90 градусов. Знак сдвига фазы определяет тип круговой поляризации - правую или левую винтовую. Резонансные частоты рабочих колебаний в рассматриваемом случае одинаковы. Сдвиг фаз между ними достигается не за счет расстройки колебаний, а за счет сдвигов фаз питающих напряжений. При этом согласование антенны никак не связано с поляризацией излучения. Для того чтобы рабочие колебания возбуждались с одинаковой амплитудой, элементы (8) возбуждения должны располагаться на одинаковом расстоянии от центра нижнего диэлектрического слоя (1). Кроме того, рабочие колебания должны возбуждаться со сдвигом фаз на 90 градусов. Это достигается не только сдвигом фаз между напряжениями на элементах (8) возбуждения, но и их пространственным расположением на двух ортогональных прямых, проходящих через центр нижнего диэлектрического слоя (1).When using four excitation elements (8), all dielectric and metal layers are square in shape. The voltage on the elements (8) of the excitation 1-4 have the same amplitude and are phase shifted relative to each other by ± 90 degrees. The sign of the phase shift determines the type of circular polarization - right or left screw. The resonant frequencies of the working oscillations are the same in this case. The phase shift between them is achieved not due to the detuning of oscillations, but due to phase shifts of the supply voltage. Moreover, the matching of the antenna is in no way connected with the polarization of the radiation. In order for the working oscillations to be excited with the same amplitude, the excitation elements (8) must be located at the same distance from the center of the lower dielectric layer (1). In addition, operating oscillations must be excited with a phase shift of 90 degrees. This is achieved not only by a phase shift between the voltages on the excitation elements (8), but also by their spatial arrangement on two orthogonal lines passing through the center of the lower dielectric layer (1).

Четырехэлементное питание требует использования специальных схем, обеспечивающих требуемые амплитудно-фазовые соотношения между возбуждающими напряжениями.Four-cell power supply requires the use of special circuits that provide the required amplitude-phase relationships between exciting voltages.

На фиг.8 показаны параллельная (фиг.8а) и последовательная (фиг.8б) схемы. Они содержат фазосдвигатели на 90 и 180 градусов, которые могут быть выполнены в виде отрезков линий передачи. Последовательная схема отличается большей компактностью. Однако при выполнении ее на основе отрезков линий передачи в ней возникают линии с сильно отличающимися волновыми сопротивлениями, которые достаточно трудно технологически реализовать. Параллельная схема лишена этого недостатка, но имеет существенно большие габариты. На фиг.9 показана топология печатной платы параллельной схемы питания в полосковом исполнении.On Fig shows a parallel (figa) and serial (figb) circuit. They contain phase shifters 90 and 180 degrees, which can be made in the form of segments of transmission lines. The serial circuit is more compact. However, when performing it on the basis of segments of transmission lines, lines with very different wave impedances appear in it, which are rather difficult to technologically implement. The parallel circuit is devoid of this drawback, but has significantly large dimensions. Figure 9 shows the topology of the printed circuit board of a parallel strip power circuit.

Четырехэлементные схемы питания представляют собой достаточно сложные устройства, которые могут вносить в СВЧ диапазоне существенные потери, уменьшающие коэффициент полезного действия антенны. Поэтому часто применяется двухэлементное возбуждение (см. фиг.7а). В этом случае элементы (8) возбуждения располагаются на одинаковом расстоянии от центра нижнего диэлектрического слоя (1). За счет этого достигается возбуждение рабочих колебаний с одинаковой амплитудой. Требуемый сдвиг фаз между напряженностями полей рабочих колебаний в 90 градусов обеспечивается сдвигом фаз напряжений на элементах (8) возбуждения, а также их пространственным расположением на прямых, проходящих через центр нижнего диэлектрического слоя (1), причем угол между этими прямыми равен 90 градусам.Four-element power circuits are quite complex devices that can introduce significant losses in the microwave range that reduce the efficiency of the antenna. Therefore, two-element excitation is often used (see Fig. 7a). In this case, the elements (8) of the excitation are located at the same distance from the center of the lower dielectric layer (1). Due to this, the excitation of working vibrations with the same amplitude is achieved. The required phase shift between the field strengths of the working oscillations of 90 degrees is provided by the phase shift of the stresses on the excitation elements (8), as well as their spatial arrangement on the lines passing through the center of the lower dielectric layer (1), and the angle between these lines is 90 degrees.

Перемычки (6) представляют собой проводники, гальванически соединяющие нижний металлический слой (3) и верхний металлический слой (5). Перемычки (6) не должны иметь электрического контакта со средним металлическим слоем (4). В реальных конструкциях перемычки (6) удобно выполнять в виде металлизированных отверстий. Таким образом, вся антенна может быть изготовлена по технологии печатных плат, что существенно снижает ее стоимость.Jumpers (6) are conductors that galvanically connect the lower metal layer (3) and the upper metal layer (5). Jumpers (6) should not have electrical contact with the middle metal layer (4). In real constructions, jumpers (6) are conveniently made in the form of metallized holes. Thus, the entire antenna can be manufactured using printed circuit board technology, which significantly reduces its cost.

Окончательный выбор параметров печатной антенны должен производиться с помощью современных средств инженерного проектирования СВЧ устройств, таких как электродинамическое моделирование и экспериментальные исследования. Электродинамическое моделирование может быть реализовано с помощью известных программ, таких как HFSS или Microwave Studio. На фиг.10 показаны результаты расчета коэффициента отражения от печатной антенны при ее питании двумя элементами возбуждения. Расчеты проводились в системе Microwave Studio для следующих параметров:The final selection of the parameters of the printed antenna should be made using modern means of engineering design of microwave devices, such as electrodynamic modeling and experimental studies. Electrodynamic modeling can be implemented using well-known programs such as HFSS or Microwave Studio. Figure 10 shows the results of calculating the reflection coefficient from a printed antenna when it is powered by two excitation elements. The calculations were carried out in the Microwave Studio system for the following parameters:

- все слои имеют квадратную форму, длина стороны квадрата равна 17 мм;- all layers have a square shape, the length of the side of the square is 17 mm;

- толщина диэлектрических слоев - 4 мм;- the thickness of the dielectric layers is 4 mm;

- проницаемость диэлектрических слоев - 10;- the permeability of the dielectric layers is 10;

- ширина крестообразной щели - 9 мм;- the width of the cross-shaped slit - 9 mm;

- толщины металлических слоев - 0.03 мм;- thickness of metal layers - 0.03 mm;

- ширина перемычки - 0.5 мм;- jumper width - 0.5 mm;

- размеры металлического экрана - 80×80 мм.- dimensions of the metal screen - 80 × 80 mm.

Из фиг.10 видно, что кривая коэффициента отражения имеет резонансный одногорбый характер. На фиг.11 показана трехмерная диаграмма направленности печатной антенны по мощности. Видно, что она имеет направленность, которая обусловлена присутствием металлического экрана, уменьшающего излучение в нижнее полупространство.Figure 10 shows that the curve of the reflection coefficient has a resonant single-humped character. 11 shows a three-dimensional radiation pattern of a printed antenna in power. It can be seen that it has a directivity, which is due to the presence of a metal screen that reduces radiation in the lower half-space.

Claims (5)

1. Печатная антенна, содержащая нижний диэлектрический слой, верхний диэлектрический слой, нижний металлический слой, расположенный на нижней поверхности нижнего диэлектрического слоя, средний металлический слой, расположенный между верхним и нижним диэлектрическими слоями, и верхний металлический слой, расположенный на верхней поверхности верхнего диэлектрического слоя, и элементы возбуждения, отличающаяся тем, что в нее введены четыре перемычки, соединяющие верхний металлический слой и нижний металлический слой без электрического контакта со средним металлическим слоем, а в верхнем металлическом слое выполнена крестообразная щель.1. A printed antenna comprising a lower dielectric layer, an upper dielectric layer, a lower metal layer located on the lower surface of the lower dielectric layer, a middle metal layer located between the upper and lower dielectric layers, and an upper metal layer located on the upper surface of the upper dielectric layer , and excitation elements, characterized in that four jumpers are inserted into it, connecting the upper metal layer and the lower metal layer without electric contact with the middle metal layer, and a cross-shaped slit is made in the upper metal layer. 2. Печатная антенна по п.1, отличающаяся тем, что нижний диэлектрический слой и верхний диэлектрический слой, а также нижний металлический слой, средний металлический слой и верхний металлический слой выполнены квадратной формы, а крестообразная щель имеет длину, равную стороне верхнего металлического слоя, перемычки расположены на диагоналях нижнего диэлектрического слоя на одинаковом расстоянии от его центра и выполнены в виде металлических проводников, соединяющих нижний металлический слой и верхний металлический слой без электрического контакта со средним металлическим слоем.2. The printed antenna according to claim 1, characterized in that the lower dielectric layer and the upper dielectric layer, as well as the lower metal layer, the middle metal layer and the upper metal layer are square in shape, and the cross-shaped slit has a length equal to the side of the upper metal layer, jumpers are located on the diagonals of the lower dielectric layer at the same distance from its center and are made in the form of metal conductors connecting the lower metal layer and the upper metal layer without electricity contact with the middle metal layer. 3. Печатная антенна по п.2, отличающаяся тем, что она содержит два элемента возбуждения, расположенные в нижнем диэлектрическом слое на одинаковом расстоянии от его центра, а угол между прямыми, соединяющими элементы возбуждения и центр нижнего диэлектрического слоя, равен 90°.3. The printed antenna according to claim 2, characterized in that it contains two excitation elements located in the lower dielectric layer at the same distance from its center, and the angle between the straight lines connecting the excitation elements and the center of the lower dielectric layer is 90 °. 4. Печатная антенна по п.2, отличающаяся тем, что она содержит четыре элемента возбуждения, расположенные в нижнем диэлектрическом слое на одинаковом расстоянии от его центра, причем элементы возбуждения установлены на ортогональных прямых, параллельных плоскости нижнего диэлектрического слоя и проходящих через его центр.4. The printed antenna according to claim 2, characterized in that it contains four excitation elements located in the lower dielectric layer at the same distance from its center, and the excitation elements are mounted on orthogonal lines parallel to the plane of the lower dielectric layer and passing through its center. 5. Печатная антенна по п.2, отличающаяся тем, что она содержит один элемент возбуждения, расположенный в нижнем диэлектрическом слое на его диагонали, а средний металлический слой выполнен в виде фигуры, имеющей две ортогональные плоскости симметрии, перпендикулярные нижнему и верхнему диэлектрическим слоям. 5. The printed antenna according to claim 2, characterized in that it contains one excitation element located in the lower dielectric layer on its diagonal, and the middle metal layer is made in the form of a figure having two orthogonal planes of symmetry perpendicular to the lower and upper dielectric layers.
RU2009139419/07A 2009-10-27 2009-10-27 Printed antenna RU2400880C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009139419/07A RU2400880C1 (en) 2009-10-27 2009-10-27 Printed antenna

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009139419/07A RU2400880C1 (en) 2009-10-27 2009-10-27 Printed antenna

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2400880C1 true RU2400880C1 (en) 2010-09-27

Family

ID=42940537

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009139419/07A RU2400880C1 (en) 2009-10-27 2009-10-27 Printed antenna

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2400880C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2597957C1 (en) * 2015-04-22 2016-09-20 Открытое акционерное общество "Московское конструкторское бюро "Компас" Multimode printed antenna
RU2673059C2 (en) * 2014-01-15 2018-11-22 Ханивелл Интернешнл Инк. Antenna array feeding structure having circuit boards connected by at least one solderable pin

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2673059C2 (en) * 2014-01-15 2018-11-22 Ханивелл Интернешнл Инк. Antenna array feeding structure having circuit boards connected by at least one solderable pin
RU2597957C1 (en) * 2015-04-22 2016-09-20 Открытое акционерное общество "Московское конструкторское бюро "Компас" Multimode printed antenna

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101746475B1 (en) Multilayer ceramic circular polarized antenna having a Stub parasitic element
US5940036A (en) Broadband circularly polarized dielectric resonator antenna
EP1456907B1 (en) Antenna element
JP4263820B2 (en) Flat antenna for circular polarization
EP1580840A1 (en) Dielectric resonator antenna
US20090073075A1 (en) Dual Polarized Low Profile Antenna
EP1711980A2 (en) Multi frequency magnetic dipole antenna structures and methods of reusing the volume of an antenna
JP2003198240A (en) Multi-element array planar antenna
EP2953207B1 (en) Circularly-polarized patch antenna
JPH07240621A (en) Antenna device and power feeding device
RU2400880C1 (en) Printed antenna
JP4769664B2 (en) Circularly polarized patch antenna
Shukla et al. Single feed stacked circularly polarized patch antenna for dual band NavIC receiver of launch vehicles
KR102218801B1 (en) Array antenna device
JP2007142876A (en) Polarization-common patch antenna
JPS60217702A (en) Circularly polarized wave conical beam antenna
RU2620195C1 (en) Resonant antenna
RU2400877C1 (en) Printed antenna
RU2448396C1 (en) Antenna-filter
Fairouz et al. A retrodirective array with reduced surface waves for wireless power transfer applications
JP2018166294A (en) Antenna for transmitting and receiving both polarization waves
JP2002033617A (en) Feeder system
CN111900536A (en) Microstrip antenna with laminated structure
RU2601215C1 (en) Multifrequency microstrip antenna
Zhao et al. Circularly polarized patch antenna with miniaturized quarter-mode slotted SIW cavity