RU2622488C1 - Subsurface sensing antenna - Google Patents
Subsurface sensing antenna Download PDFInfo
- Publication number
- RU2622488C1 RU2622488C1 RU2016112942A RU2016112942A RU2622488C1 RU 2622488 C1 RU2622488 C1 RU 2622488C1 RU 2016112942 A RU2016112942 A RU 2016112942A RU 2016112942 A RU2016112942 A RU 2016112942A RU 2622488 C1 RU2622488 C1 RU 2622488C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- antenna
- layer
- ultra
- microwave antenna
- antenna according
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Данное изобретение относится к сверхширокополосным сверхвысокочастотным антеннам, в частности для применения в бесконтактных сверхширокополосных подповерхностных радарах, для 3D или 2D визуализации подповерхностных структур. This invention relates to ultra-wideband microwave antennas, in particular for use in non-contact ultra-wideband subsurface radars, for 3D or 2D visualization of subsurface structures.
Уровень техникиState of the art
Проблема применения сверхширокополосных (СШП) антенн сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона в различных радиочастотных устройствах заключается в том, что характеристики СШП СВЧ антенн, такие как габариты антенны, коэффициент отражения от питающего порта, изоляция между приемным и передающим трактом, согласование с внешней средой, влияют на все основные свойства самих устройств, такие как общие габариты устройства, изоляцию между приемным и передающим трактами, уровень паразитных поверхностных отражений излученного сигнала, согласование антенн и СВЧ радио трактов, мощность передатчика и т.д.The problem of using ultra-wideband (UWB) microwave antennas in various radio frequency devices is that the characteristics of UWB microwave antennas, such as antenna dimensions, reflection coefficient from the power port, isolation between the receiving and transmitting paths, and matching with the external environment, on all the basic properties of the devices themselves, such as the overall dimensions of the device, the isolation between the receiving and transmitting paths, the level of spurious surface reflections of the emitted signal, agreed e microwave antennas and radio paths, transmit power, etc.
С одной стороны, размеры СШП СВЧ антенн должны быть минимальными из-за недостатка свободного пространства внутри современных электронных устройств, но с другой стороны, СШП СВЧ антенны должны иметь больший размер для сохранения требуемых характеристик приема-передачи сигналов. On the one hand, the dimensions of UWB microwave antennas should be minimal due to the lack of free space inside modern electronic devices, but on the other hand, UWB microwave antennas should be larger in order to maintain the required characteristics of signal reception and transmission.
На данный момент в большинстве подповерхностных радаров для зондирования почвы, дорог, мостов, зданий, сооружений и т.д. используются дипольные СШП СВЧ антенны, имеющие вид двух симметричных треугольных расходящихся проводящих поверхностей-монополей. Подобные антенны-диполи известны под условным названием «бабочка» (в английской терминологии «bow-tie», т.е. «галстук-бабочка»). Принципиальная широкополосность этих антенных структур физически поясняется увеличением, с ростом длины радиоволны, действующей напряженности электрического возбуждающего (или принимаемого для приемной антенны) тока по длине излучающего треугольника по мере удаления от точек питания. Т.е., чем больше рабочая длина волны, тем больше реализуемая эффективная длина излучающий структуры. Однако некоторые радары и приложения требуют улучшения характеристик подобных антенн-диполей. Требования обусловлены малым размером устройств, в которые встраиваются СШП СВЧ антенны, и, как следствие, СШП СВЧ антенны должны обладать меньшим размером, иметь стабильное согласование в широком диапазоне частот, надежную изоляцию между приемным и передающим трактом для предотвращения перегрузки входа приемника сигналом прямого прохождения (сигнала) передатчика на вход приемника радара и достижения хорошего энергосбережения. Чем стабильнее согласование антенны, тем меньше энергии теряется при отражении от ее порта. Следовательно, требуется меньшая мощность генератора и меньшее общее энергопотребление. Аналогично, подавление излучения назад уменьшает потери энергии на обратное излучение и ведет к тому же положительному результату. Кроме того, подавление излучения назад повышает достоверность получаемых данных и предотвращает влияние близлежащих предметов (например, рука оператора) на получаемый приемником сигнал.At the moment, in most subsurface radars for sensing soil, roads, bridges, buildings, structures, etc. Dipole UWB microwave antennas are used, having the form of two symmetrical triangular diverging conductive monopole surfaces. Such dipole antennas are known under the conditional name “bow tie” (in English terminology “bow-tie”, ie “bow tie”). The principal broadband of these antenna structures is physically explained by the increase, with increasing length of the radio wave, of the current electric exciting (or received for the receiving antenna) current along the length of the radiating triangle as it moves away from the power points. That is, the longer the working wavelength, the greater the realized effective length of the radiating structure. However, some radars and applications require improvements in the performance of such dipole antennas. The requirements are due to the small size of the devices into which the UWB microwave antennas are embedded, and, as a result, the UWB microwave antennas must have a smaller size, have stable matching in a wide frequency range, reliable isolation between the receiving and transmitting paths to prevent the receiver input from being overloaded with a direct signal ( signal) of the transmitter to the input of the radar receiver and achieve good energy conservation. The more stable the antenna matching, the less energy is lost when reflected from its port. Therefore, less generator power and lower overall power consumption are required. Similarly, suppressing radiation backward reduces the energy loss due to backward radiation and leads to the same positive result. In addition, suppressing the radiation back increases the reliability of the received data and prevents the influence of nearby objects (for example, the operator’s hand) on the signal received by the receiver.
Минимальные размеры (длина, ширина, толщина) СШП СВЧ антенн требуются, прежде всего, в мобильных (носимых) устройствах, например, таких как мобильные телефоны, так как данные устройства имеют малые размеры (длина, ширина, толщина) и небольшое внутреннее пространство для размещения электронных блоков.The minimum dimensions (length, width, thickness) of UWB microwave antennas are required, first of all, in mobile (wearable) devices, for example, such as mobile phones, since these devices have small dimensions (length, width, thickness) and a small internal space for placement of electronic components.
Таким образом, особенно важный параметр для СШП СВЧ антенн в мобильных (носимых) устройствах - это толщина, т.к. сами мобильные (носимые) устройства, как правило, имеют малый размер толщины (от 0,5 см). Также, с точки зрения конструкции, при малых размерах СШП СВЧ антенны должны обладать повышенной помехозащищенностью от других электронных блоков мобильного устройства для обеспечения одновременной работы всех блоков. Поэтому обычно на СШП СВЧ антенны с задней стороны устанавливают экранировку в виде слоя металлизации, что предотвращает влияние внешних паразитных сигналов на антенну, и наоборот. Кроме того, дополнительные требования предъявляются к рабочему диапазону частот СШП СВЧ антенн. Обычно, чем крупнее антенна, тем ниже ее рабочий диапазон частот, и наоборот (общее правило для всех антенн). Попытки уменьшения размеров СШП СВЧ антенн существующих конструкций только лишь внедрением материалов с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости не дают требуемый результат, т.к. это ведет к сужению рабочего диапазона частот. Следовательно, уменьшение размеров СШП СВЧ антенн должно быть обеспечено более комплексным подходом.Thus, a particularly important parameter for UWB microwave antennas in mobile (wearable) devices is thickness, because Mobile (wearable) devices themselves, as a rule, have a small thickness (from 0.5 cm). Also, from the design point of view, with small sizes of UWB, microwave antennas should have increased noise immunity from other electronic units of the mobile device to ensure the simultaneous operation of all units. Therefore, shielding in the form of a metallization layer is usually installed on the UWB microwave antennas from the rear side, which prevents the influence of external spurious signals on the antenna, and vice versa. In addition, additional requirements are imposed on the operating frequency range of UWB microwave antennas. Usually, the larger the antenna, the lower its operating frequency range, and vice versa (a general rule for all antennas). Attempts to reduce the size of UWB UHF antennas of existing structures by merely introducing materials with a high coefficient of dielectric constant do not give the desired result, because this leads to a narrowing of the operating frequency range. Therefore, reducing the size of UWB microwave antennas should be provided with a more integrated approach.
В уровне техники известны решения, решающие проблему повышения коэффициента диэлектрической проницаемости СШП СВЧ антенны с сохранением ее размеров, например, в патенте US 5,563,616 A предложена антенна, изготовленная с применением материала с малыми потерями и высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости. Это традиционная антенна-диполь, типа «бабочка», изготовленная на стандартной диэлектрической подложке с металлическим экраном на задней стороне. In the prior art, solutions are known that solve the problem of increasing the dielectric constant of a UWB UHF antenna with preserving its dimensions, for example, in US Pat. This is a traditional butterfly dipole antenna made on a standard dielectric substrate with a metal shield on the back.
Указанное техническое решение является наиболее близким прототипом к предлагаемому изобретению. Основной недостаток изобретения по патенту US 5,563,616 A заключается в том, что не предложены методы сохранения повышения коэффициента диэлектрической проницаемости при уменьшении габаритов антенны. Этот недостаток особенно критичен, если СШП СВЧ антенна используется для работы на частотах 3 ГГц и меньше.The specified technical solution is the closest prototype to the proposed invention. The main disadvantage of the invention according to the patent US 5,563,616 A lies in the fact that no methods are proposed for maintaining an increase in the coefficient of dielectric constant while reducing the dimensions of the antenna. This drawback is especially critical if the UWB microwave antenna is used to operate at frequencies of 3 GHz or less.
В патенте US 7,123,207 B2 предложена СШП СВЧ печатная антенна типа «бабочка». Это традиционный дизайн антенн подобного класса, изготавливаемый на диэлектрической подложке совместно с цепями согласования сопротивлений. Основные недостатки существующих изобретений, таких как US 7,123,207 B2:US Pat. No. 7,123,207 B2 proposes a UWB UHF butterfly type antenna. This is the traditional design of antennas of this class, manufactured on a dielectric substrate in conjunction with resistance matching circuits. The main disadvantages of existing inventions, such as US 7,123,207 B2:
- не предложено метода уменьшения габаритов антенны;- no method for reducing the dimensions of the antenna;
- отсутствие экрана на задней стороне антенны приводит к существенному влиянию окружающих объектов на характеристики СШП СВЧ антенны.- the absence of a screen on the back of the antenna leads to a significant effect of surrounding objects on the characteristics of the UWB microwave antenna.
С указанными недостатками антенна, предложенная в US 7,123,207 B2, будет иметь больший размер, чем требуется для использования в мобильных и носимых устройствах. Также она будет подвержена влиянию окружающих электронных блоков мобильного устройства. Такое влияние можно убрать лишь дополнительной экранировкой.With these drawbacks, the antenna proposed in US 7,123,207 B2 will have a larger size than that required for use in mobile and wearable devices. It will also be affected by the surrounding electronic components of the mobile device. Such an effect can be removed only by additional shielding.
В патенте US 7,372,409 B2 предложена СШП СВЧ патч-антенна в виде нагруженных щелями треугольных слотов, с экранировкой обратного излучения. Эта антенна усовершенствована специальными щелями в качестве дополнительной нагрузки. Такое усовершенствование ведет к уменьшению ширины и длины антенны. Однако изобретение имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что не предложено метода уменьшения толщины антенны.US Pat. No. 7,372,409 B2 proposes a UWB UHF patch antenna in the form of slit-loaded triangular slots with shielded reverse radiation. This antenna has been enhanced with special slots as an additional load. Such an improvement leads to a decrease in the width and length of the antenna. However, the invention has a significant disadvantage in that no method for reducing the thickness of the antenna is proposed.
СШП СВЧ антенна с указанным недостатком. предложенная в патенте US 7,372,409 B2, имеет толщину порядка 0.07λ и может использоваться только в мобильных устройствах с большой толщиной корпуса. UWB microwave antenna with the indicated drawback. proposed in the patent US 7,372,409 B2, has a thickness of the order of 0.07λ and can only be used in mobile devices with a large thickness of the case.
Как следует из вышеизложенного, одна из основных проблем современных электронных приборов, в частности мобильных и носимых устройств, – недостаток внутреннего свободного пространства. По этой причине особенно остро стоит проблема разработки СШП СВЧ антенн минимальных размеров с сохранением и усилением характеристик их работы. Однако такие характеристики антенн, как рабочий диапазон частот, ширина полосы, напрямую зависят от размера антенны. Т.е. чем больше размер, тем выше, например, нижняя граница рабочего диапазона частот.As follows from the foregoing, one of the main problems of modern electronic devices, in particular mobile and wearable devices, is the lack of internal free space. For this reason, the problem of developing UWB UHF antennas of minimum dimensions with maintaining and enhancing their performance is particularly acute. However, such characteristics of the antennas as the operating frequency range, bandwidth, directly depend on the size of the antenna. Those. the larger the size, the higher, for example, the lower limit of the working frequency range.
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
Заявляемое техническое решение раскрывает микроволновую широкополосную антенну с сохранением нижней границы рабочего диапазона частот 3,1 ГГц, а также ширины полосы рабочего диапазона частот 2,9 ГГц с габаритами на 25-30 % меньше, чем у аналогов. The claimed technical solution discloses a microwave broadband antenna while maintaining the lower boundary of the working frequency range of 3.1 GHz, as well as the bandwidth of the working frequency range of 2.9 GHz with dimensions 25-30% less than that of analogues.
Согласно настоящему изобретению, сверхширокополосная СВЧ антенна содержит по меньшей мере два проводящих слоя: нижний излучающий слой типа «бабочка» и слой перераспределения токов, имеющий прорези, заканчивающиеся вырезами произвольной формы; микрополосок для питания антенны, расположенный на слое перераспределения токов изолированно от остальной части слоя перераспределения токов; по меньшей мере, два запитывающих вертикальных соединителя, соединяющих между собой нижний слой и слой перераспределения токов; и по меньшей мере два вертикальных соединителя, заземляющих слои антенны.According to the present invention, an ultra-wideband microwave antenna comprises at least two conductive layers: a bottom “butterfly” type emitting layer and a current redistribution layer having slits ending in cutouts of arbitrary shape; a microstrip for powering the antenna located on the current redistribution layer in isolation from the rest of the current redistribution layer; at least two energizing vertical connectors connecting the lower layer and the current redistribution layer; and at least two vertical connectors, grounding layers of the antenna.
В варианте осуществления, антенна содержит по меньшей мере три заземляющих вертикальных соединителя, при этом заземляющие вертикальные соединители располагаются либо на одинаковых расстояниях друг от друга, либо по экспоненциальному распределению, либо в зависимости от распределения плотности токов, либо по любому иному закону.In an embodiment, the antenna comprises at least three grounding vertical connectors, wherein the grounding vertical connectors are either at equal distances from each other, either in an exponential distribution, or depending on the distribution of current density, or by any other law.
В варианте осуществления, нижний излучающий слой типа «бабочка» содержит симметричные и/или ассиметричные относительно оси антенны элементы произвольной формы.In an embodiment, the bottom “butterfly” type emitting layer contains elements of arbitrary shape symmetrical and / or asymmetric with respect to the axis of the antenna.
В варианте осуществления, антенна имеет произвольную внешнюю форму.In an embodiment, the antenna has an arbitrary external shape.
В варианте осуществления, антенна изготовлена на стандартной СВЧ диэлектрической гибкой или негибкой подложке или с применением технологии антенна-на-кристалле.In an embodiment, the antenna is fabricated on a standard microwave dielectric flexible or inflexible substrate, or using antenna-on-chip technology.
В варианте осуществления, антенна дополнительно содержит верхний экранирующий слой.In an embodiment, the antenna further comprises an upper shielding layer.
В варианте осуществления, прорези и вырезы расположены симметрично относительно оси антенны.In an embodiment, slots and cutouts are arranged symmetrically with respect to the axis of the antenna.
В варианте осуществления, вырезы расположены на стороне прорезей, ближней к оси антенны.In an embodiment, the cutouts are located on the side of the slots closest to the axis of the antenna.
В варианте осуществления, прорези имеют прямоугольную форму, а вырезы имеют круглую форму.In an embodiment, the slots are rectangular and the cuts are circular.
В варианте осуществления, микрополосок расположен вдоль оси антенны и проходит от края слоя перераспределения токов к его центру.In an embodiment, the microstrip is located along the axis of the antenna and extends from the edge of the current redistribution layer to its center.
В варианте осуществления, по меньшей мере один запитывающий соединитель соединяет микрополосок с по меньшей мере одним из излучающих элементов нижнего слоя, и по меньшей мере один другой запитывающий соединитель соединяет микрополосок с по меньшей мере одним другим из излучающих элементов нижнего слоя.In an embodiment, at least one power connector connects the microstrip to at least one of the radiating elements of the lower layer, and at least one other power connector connects the microstrip to at least one other of the radiating elements of the lower layer.
Технический результат заявленного изобретения заключается в сохранении рабочего диапазона частот (например, нижней и верхней границы рабочего диапазона частот 3,1 и 6 ГГц соответственно) микроволновой широкополосной антенны, при значительном уменьшении ее размеров (длина и ширина – габариты в плоскости слоев антенны и толщина – максимальное расстояние по вертикали между излучающим и экранным слоями антенны). The technical result of the claimed invention is to maintain the working frequency range (for example, the lower and upper boundaries of the working frequency range of 3.1 and 6 GHz, respectively) of a microwave broadband antenna, while significantly reducing its size (length and width - dimensions in the plane of the antenna layers and thickness - maximum vertical distance between the radiating and screen layers of the antenna).
Основные усовершенствования, позволяющие достичь заявленный технический результат и требуемые характеристики рабочего диапазона частот микроволновой широкополосной антенны, указаны ниже:The main improvements to achieve the claimed technical result and the required characteristics of the operating frequency range of the microwave broadband antenna are indicated below:
- внутренний металлический слой со специальными вырезами, перераспределяющими наведенные токи. Он располагается между нижним излучающим слоем и верхним экраном. За счет создания специальных вырезов в этом слое, происходит удлинение путей токов на нем, что, в свою очередь, приводит к возможности увеличения рабочей длины волны и, соответственно, уменьшение рабочих частот вниз по диапазону;- inner metal layer with special cutouts redistributing induced currents. It is located between the lower radiating layer and the upper screen. Due to the creation of special cutouts in this layer, the current paths on it are lengthened, which, in turn, leads to the possibility of increasing the working wavelength and, accordingly, reducing the working frequencies down the range;
- нижний излучающий металлический слой, изготовленный в виде антенны-диполь типа «бабочка» с элементами произвольной формы;- the lower radiating metal layer, made in the form of an antenna-dipole of the "butterfly" type with elements of arbitrary shape;
- межслойными заземляющими соединениями, выстроенными в ряд по сторонам антенны и имеющими плотность расстановки соответствующую плотности токов в данном участке антенны;- interlayer grounding connections arranged in a row on the sides of the antenna and having a density equal to the current density in a given section of the antenna;
- СШП СВЧ антенна разработана с учетом возможности изготовления в виде многослойной печатной платы из обычного материала или в виде антенны на кристалле. Для этого вся металлизация антенны изготавливается на параллельных слоях, для соединения между слоями используются исключительно стандартные для печатных плат вертикальные соединители.- UWB microwave antenna is designed with the possibility of manufacturing in the form of a multilayer printed circuit board from ordinary material or in the form of an antenna on a chip. To do this, all the metallization of the antenna is made on parallel layers, for the connection between the layers exclusively vertical connectors standard for printed circuit boards are used.
Вышеприведенное представляет собой краткую неограничивающую сущность задач, аспектов и преимуществ настоящего изобретения. Дополнительные признаки и преимущества настоящего изобретения станут понятны из нижеприведенного подробного описания изобретения.The above is a brief, non-limiting summary of the objectives, aspects, and advantages of the present invention. Additional features and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of the invention.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Далее настоящее изобретение будет подробно описано со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:Further, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, in which:
На фиг. 1 изображены основные слои и элементы микроволновой широкополосной антенны: In FIG. 1 shows the main layers and elements of a microwave broadband antenna:
- на фиг. 1A изображен внутренний слой перераспределения токов;- in FIG. 1A shows an internal current redistribution layer;
- на фиг. 1B изображен верхний металлический экранирующий слой;- in FIG. 1B shows an upper metal shielding layer;
- на фиг. 1C изображены межуровневые заземляющие соединители размещенные линейно с дистанцией обратно пропорциональной плотности распределения токов;- in FIG. 1C shows inter-level grounding connectors arranged linearly with a distance inversely proportional to the current distribution density;
- на фиг. 1D изображен нижний излучающий слой типа «бабочка».- in FIG. 1D depicts a lower butterfly emitting layer.
На фиг. 2 изображен пример смещения рабочего диапазона частот СШП СВЧ антенны вниз по спектру:In FIG. 2 shows an example of shifting the operating frequency range of UWB microwave antennas down the spectrum:
- на фиг. 2A изображен рабочий диапазон классической реализации антенны с верхним экранирующим слоем;- in FIG. 2A shows the operating range of a classic implementation of an antenna with an upper shielding layer;
- на фиг. 2B изображен рабочий диапазон предложенной микроволновой широкополосной антенны с такими же габаритами.- in FIG. 2B shows the operating range of the proposed microwave broadband antenna with the same dimensions.
На фиг. 3 изображены различные возможные формы микроволновой широкополосной антенны.In FIG. 3 shows various possible forms of a microwave broadband antenna.
Описание вариантов осуществления изобретенияDescription of Embodiments
На фиг. 1 изображены основные проводящие слои и элементы микроволновой широкополосной антенны в предпочтительном варианте реализации предлагаемого изобретения.In FIG. 1 shows the main conductive layers and elements of a microwave broadband antenna in a preferred embodiment of the invention.
На фиг. 1A изображен внутренний слой 110 перераспределения токов СШП СВЧ антенны 100. Этот слой 110 расположен между верхним металлическим экранирующим слоем 120 (см. далее на Фиг. 1B) и нижним излучающим слоем 130 типа «бабочка» (см. далее на Фиг. 1D). Внутренний слой 110 перераспределения токов имеет вырезы 111 в форме узких щелей, оканчивающихся круглым вырезом, предназначенных для удлинения путей протекания токов и для расширения рабочего диапазона частот в сторону нижних частот. Конфигурация щелей и вырезов может быть изменена по технологическим соображениям либо с целью оптимизации характеристик антенны в каком-либо поддиапазоне рабочих частот. Удлинение путей протекания токов увеличивает рабочую длину волны СШП СВЧ антенны 100. В одном неограничивающем примере прорези могут иметь прямоугольную форму, а вырезы - круглую форму. Прорези и вырезы могут быть расположены симметрично или несимметрично относительно оси антенны. Вырезы могут быть расположены на той стороне прорезей, которая является ближней к оси антенны.In FIG. 1A shows the
Также внутренний слой 110 перераспределения токов может содержать в себе микрополосковую линию 112 питания СШП СВЧ антенны 100, идущую от края внутреннего слоя 110 к его центру и затем соединенную с нижним излучающим слоем 130 с помощью запитывающих (вертикальных) соединителей 113. Края внутреннего слоя 110 перераспределения токов должны быть заземлены с помощью межуровневых заземляющих соединителей 140 в виде полых цилиндров. Also, the
На фиг. 1B изображен верхний металлический экранирующий слой 120 СШП СВЧ антенны 100. Указанный слой 120 электрически заземлен с помощью межуровневых заземляющих соединителей 140 со слоями 110 и 130.In FIG. 1B, the upper
Верхний металлический экранирующий слой 120 делается на СШП СВЧ антенне 100 опционально, в зависимости от количества слоев на плате целевого устройства, и позволяет обеспечивать максимальную простоту и технологичность изготовления. Его применение оправдано в случае необходимости подавления излучения в заднее полупространство мобильного устройства более чем на 10дБ и в случае необходимости экранировки от окружающих элементов. В случаях, если экранировка от окружающих объектов не требуется, например в автономных радарах, не встраиваемых в электронные устройства, СШП СВЧ антенна 100 может быть изготовлена и без верхнего металлического экранирующего слоя 120 и, таким образом, содержать всего два слоя. The upper
СШП СВЧ антенна 100, реализованная без верхнего металлического экранирующего слоя 120, имеет характеристики, схожие с антенной в предпочтительном варианте реализации предлагаемого изобретения (т.е. работает в диапазоне частот 3.1-10 ГГц), за исключением меньшей толщины и необходимости лишь двух слоев, что делает ее востребованной для большинства устройств, изготовленных на двуслойных печатных платах.
На фиг. 1C изображено выполнение СШП СВЧ антенны 100 с межуровневыми заземляющими соединителями 140, расположенными не на равном расстоянии, а с дистанциями, обратно пропорциональными плотности распределения токов, для уменьшения потерь при протекании токов между слоями. Данный вариант реализации СШП СВЧ антенны 100 используется в случаях, когда антенны используются для передачи радиосигнала большой мощности, либо когда необходимо обеспечить минимальное сопротивление токам, протекающим между слоями антенны.In FIG. 1C shows the implementation of
На фиг. 1D изображен нижний излучающий слой 130 с двумя симметричными излучающими частями диполя 131 и 132, сделанными в форме двух треугольников с точкой питания в центре нижнего излучающего слоя 130 (разновидность СШП антенны-диполя типа «бабочка»). Такой вид и расположение излучающих элементов обеспечивает широкий рабочий диапазон частот и равномерную диаграмму направленности СШП СВЧ антенны 100. In FIG. 1D shows the
На фиг. 2A, 2B приведены графики коэффициента отражения от порта антенны S21. По горизонтали отложена частота в ГГц, по вертикали – коэффициент отражения S21 в дБ. В качестве порога для определения рабочей полосы частот выбран уровень S21≤-6 дБ. Рабочий диапазон частот дополнительно выделен серым прямоугольником. На фиг. 2A изображен рабочий диапазон классической реализации антенны с верхним экранирующим слоем (например, как в US 5,563,616 A). На фиг. 2B изображен рабочий диапазон предложенной микроволновой широкополосной антенны с такими же габаритами.In FIG. 2A, 2B are graphs of reflection coefficient from the antenna port S21. Horizontal is the frequency in GHz, vertical is the reflection coefficient S21 in dB. As a threshold for determining the working frequency band selected level S21≤-6 dB. The operating frequency range is additionally highlighted in a gray rectangle. In FIG. 2A shows the operating range of a classic implementation of an antenna with an upper shielding layer (for example, as in US 5,563,616 A). In FIG. 2B shows the operating range of the proposed microwave broadband antenna with the same dimensions.
Как показано на графиках фиг. 2, предложенная антенна позволяет отодвинуть нижнюю границу рабочего диапазона частот с 4,4 ГГц до 3,3 ГГц без увеличения габаритов антенны.As shown in the graphs of FIG. 2, the proposed antenna allows you to push the lower limit of the operating frequency range from 4.4 GHz to 3.3 GHz without increasing the dimensions of the antenna.
Внутренний слой 110 перераспределения токов может иметь вырезы в виде узких щелей, оканчивающихся вырезом в форме различных геометрических фигур: круг, треугольник, квадрат, многоугольник. Кроме того, питающая микрополосковая линия 112 может быть расположена на слое 110, либо на верхнем металлическом экранирующем слое 120, либо питание антенны может осуществляться припаянным СВЧ коаксиальным кабелем.The
Предпочтительный вариант реализации предлагаемого изобретения следующий.A preferred embodiment of the invention is as follows.
СШП СВЧ антенна 100 состоит из трех слоев: внутреннего слоя 110 перераспределения токов, верхнего металлического экранирующего слоя 120, нижнего излучающего слоя 130 типа «бабочка». Внутренний слой 110 перераспределения токов имеет вырезы 111, представляющие собой тонкие прорези, идущие от края слоя к его линии симметрии и оканчивающиеся круглыми вырезами вблизи оси симметрии СШП СВЧ антенны 100. Также, СШП СВЧ антенна 100 содержит межуровневые заземляющие соединители 140, электрически соединяющие все три слоя на двух или четырех сторонах СШП СВЧ антенны 100. На внутреннем слое перераспределения токов 110 расположена линия питания 112, идущая от края слоя перераспределения токов 110 к его центру и затем соединенная с нижним излучающим слоем 130 с помощью питающих (вертикальных) соединителей 113.
Предложенное техническое решение - СШП СВЧ антенна 100 применимо в задачах подповерхностного зондирования в медицинских целях, здравоохранении, фитнесе. В биомедицинских приложениях СШП СВЧ антенна 100 может использоваться для неинвазивного зондирования структуры тканей тела. При этом прямой электрический контакт, а также применение специальных гелей не требуется. СШП СВЧ антенны 100 также могут применяться в детекторах движения (сердцебиения, дыхания и т.д.).The proposed technical solution -
СШП СВЧ антенна 100 может иметь прямоугольную форму, либо форму других геометрических фигур: круг, треугольник многоугольник, либо иметь форму, соответствующую форме пространства, отведенного в устройстве под данную антенну, подходящую под внутренние габариты целевого устройства, что достигается за счет применения гибкого материала при изготовлении микроволновой широкополосной антенны. Материал, из которого изготовлена СШП СВЧ антенна 100, может быть один из общеизвестных СВЧ диэлектриков, например FR-4, Rogers, или на основе гибких печатных плат, или в соответствии с технологией антенна-на-чипе, или антенна может иметь воздушное заполнение внутреннего пространства для удешевления конструкции. СШП СВЧ антенна 100 может быть изготовлена на стандартной СВЧ диэлектрической подложке (в том числе гибкой).
СШП СВЧ антенна 100 может выполнять функции приема/передачи в случае одноантенной схемы либо функцию приема или передачи раздельно, в случае многоантенных радаров.
Многоантенные радары с СШП СВЧ антеннами 100 могут применяться, например, в системах предотвращения столкновения автомобилей, медицинского сканирования без перемещения телефона по поверхности и т.д.Multi-antenna radars with
Верхний экранирующий слой 120 важен при повышенных требованиях к минимизации обратного излучения СШП СВЧ антенны 100, а также для защиты от воздействия внешних компонентов. Даже при условии использования верхнего экранирующего слоя 120 наиболее критичный размер антенн – толщина – может быть уменьшен до 1 мм в частотном диапазоне 3.1-10 ГГц за счет использования заявляемой конструкции СШП СВЧ антенны.The
При отсутствии таких требований верхний экранирующий слой 120 может не использоваться. В таком случае СШП СВЧ антенна 100 будет иметь только два слоя.In the absence of such requirements, the
Заземляющие соединители 140 могут располагаться как с двух сторон СШП СВЧ антенны 100, так и со всех четырех сторон, в зависимости от требований к силе боковых лепестков паразитного излучения. Расположение заземляющих соединителей 140 может быть как с одинаковым расстоянием между ними, так и с переменным расстоянием, например, по экспоненциальному распределению, либо в зависимости от распределения плотности токов, либо по любому иному закону. Например, расстояние между соединителями можно уменьшать (размещать их плотнее) в местах большей концентрации токов с целью уменьшения резистивных потерь токов при протекании в антенне.Grounding
Нижний излучающий слой 130 типа «бабочка» имеет две половины 131 и 132. Они могут иметь форму треугольников либо других фигур, обеспечивающих перетекание тока с нижнего излучающего слоя на верхний. Кроме того, нижний излучающий слой 130 типа «бабочка» может иметь как симметричные, так и ассиметричные относительно оси антенны элементы.The
СШП СВЧ антенна 100, встроенная, например, в мобильный телефон, позволяет производить подповерхностное зондирование толщины жировой ткани тела человека и изображать результат измерения на экране того же мобильного телефона.
СШП СВЧ антенна 100 в мобильном телефоне работает следующим образом: антенна излучает СВЧ сигнал, поступающий от передатчика внутрь исследуемого объекта. Этот сигнал претерпевает множественные отражения внутри объекта, которые возвращаются обратно. Отражения, попавшие в антенну, передаются в приемник. После обработки в приемнике и в цифровом блоке, результаты измерения отражений в глубине исследуемого объекта представляются на экране телефона.
Промышленная применимостьIndustrial applicability
Предложенное изобретение описывает антенну для приема/передачи СШП радиосигнала и не касается принципов генерации, детектирования, модулирования/демодулирования, цифровых преобразований сигнала. Предложенная антенна изначально рассчитана для радара для неинвазивного отображения подповерхностного строения тканей тела человека в задачах периодического мониторинга эффективности физических упражнений. При этом в общем смысле предусматривается применение данного изобретения в радарах для измерения толщины тканей тела (например, жир и т.д.) при подповерхностном неинвазивном зондировании медицинского и немедицинского назначения. Структура предложенной СШП антенны в указанном контексте может быть применена одинаково эффективно в различных радиочастотных устройствах. К таковым относятся радары подповерхностного зондирования, устройства радиолокации, системы беспроводной передачи данных, системы беспроводной передачи энергии.The proposed invention describes an antenna for receiving / transmitting UWB radio signal and does not concern the principles of generation, detection, modulation / demodulation, digital signal transformations. The proposed antenna was originally designed for a radar for non-invasively displaying the subsurface structure of human body tissues in the tasks of periodically monitoring the effectiveness of physical exercises. In this case, in a general sense, the use of the present invention in radars for measuring the thickness of body tissues (for example, fat, etc.) is provided for subsurface non-invasive sounding of medical and non-medical purposes. The structure of the proposed UWB antenna in this context can be applied equally efficiently in various RF devices. These include subsurface sounding radars, radar devices, wireless data transmission systems, wireless energy transmission systems.
Claims (17)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016112942A RU2622488C1 (en) | 2016-04-06 | 2016-04-06 | Subsurface sensing antenna |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016112942A RU2622488C1 (en) | 2016-04-06 | 2016-04-06 | Subsurface sensing antenna |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2622488C1 true RU2622488C1 (en) | 2017-06-15 |
Family
ID=59068442
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016112942A RU2622488C1 (en) | 2016-04-06 | 2016-04-06 | Subsurface sensing antenna |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2622488C1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2727087C1 (en) * | 2019-09-13 | 2020-07-17 | Самсунг Электроникс Ко., Лтд. | Spr sensor (subsurface probing radar) for assisting in navigation of technical device |
CN112490654A (en) * | 2020-11-20 | 2021-03-12 | 榆林学院 | Double-frequency high-gain microstrip slot antenna loaded with bowknot type parasitic structure |
US11867798B2 (en) | 2019-09-13 | 2024-01-09 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Electronic device including sensor and method of determining path of electronic device |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6429819B1 (en) * | 2001-04-06 | 2002-08-06 | Tyco Electronics Logistics Ag | Dual band patch bowtie slot antenna structure |
US7123207B2 (en) * | 2003-09-09 | 2006-10-17 | National Institute Of Information And Communications Technology | Ultra wideband bow-tie printed antenna |
US7372409B2 (en) * | 2006-02-21 | 2008-05-13 | Harris Corporation | Slit loaded tapered slot patch antenna |
US20100289701A1 (en) * | 2009-05-15 | 2010-11-18 | Microsoft Corporation | Antenna configured for bandwidth improvement on a small substrate. |
-
2016
- 2016-04-06 RU RU2016112942A patent/RU2622488C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6429819B1 (en) * | 2001-04-06 | 2002-08-06 | Tyco Electronics Logistics Ag | Dual band patch bowtie slot antenna structure |
US7123207B2 (en) * | 2003-09-09 | 2006-10-17 | National Institute Of Information And Communications Technology | Ultra wideband bow-tie printed antenna |
US7372409B2 (en) * | 2006-02-21 | 2008-05-13 | Harris Corporation | Slit loaded tapered slot patch antenna |
US20100289701A1 (en) * | 2009-05-15 | 2010-11-18 | Microsoft Corporation | Antenna configured for bandwidth improvement on a small substrate. |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2727087C1 (en) * | 2019-09-13 | 2020-07-17 | Самсунг Электроникс Ко., Лтд. | Spr sensor (subsurface probing radar) for assisting in navigation of technical device |
US11867798B2 (en) | 2019-09-13 | 2024-01-09 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Electronic device including sensor and method of determining path of electronic device |
CN112490654A (en) * | 2020-11-20 | 2021-03-12 | 榆林学院 | Double-frequency high-gain microstrip slot antenna loaded with bowknot type parasitic structure |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4930359B2 (en) | Antenna device | |
US20110263961A1 (en) | Antenna for Investigating Structure of Human or Animal | |
Alreshaid et al. | A compact millimeter-wave slot antenna array for 5G standards | |
EP2385583B1 (en) | Wideband cavity-backed slot antenna | |
RU2622488C1 (en) | Subsurface sensing antenna | |
Gupta | Effects of slots on microstrip patch antenna | |
Tianming et al. | Analysis and design of UWB Vivaldi antenna | |
JP5104131B2 (en) | Radio apparatus and antenna provided in radio apparatus | |
EP3582323A1 (en) | Dual broadband antenna system for vehicles | |
KR102059329B1 (en) | Ultra wideband dipole antenna | |
CN207303352U (en) | A kind of SIW gaps crossfeed array antenna system | |
Wahab et al. | Design of miniaturized fractal quasi-self complimentary antenna for UWB applications | |
Hasan et al. | Dual band slotted printed circular patch antenna with superstrate and EBG structure for 5G applications | |
CN110323574A (en) | Waveguide antenna configurations and method | |
KR20150009298A (en) | Ultra wide band antenna | |
Karthika et al. | Design of a novel UWB antenna for wireless applications | |
Hossain et al. | Investigation and performance analysis of Z shaped migrostrip patch antenna for wideband application | |
Lakrit et al. | Study and design of single and double layer square patch antennas for UWB applications | |
Letavin et al. | Simulation of 3600–3800 MHz frequency band antenna for fifth generation mobile communication | |
Deshpande et al. | Koch Fractal Iterations Based T-Patch Antenna for Low Giga Hertz and Wireless Applications | |
Puskely et al. | Antenna implementable into button for on-body communications at 61 GHz | |
RU152427U1 (en) | MICRO-STRIP ANTENNA OF METER RANGE WITH CIRCLE POLARIZATION | |
Osman et al. | Design and simulation of high performance half wave-dipole antenna for LTE Applications | |
CN113690594B (en) | Millimeter wave high-gain plane caliber antenna applied to Doppler radar | |
RU2237322C1 (en) | Four-band aerial |