RU2638082C1 - Fractal radiator - Google Patents
Fractal radiator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2638082C1 RU2638082C1 RU2016126270A RU2016126270A RU2638082C1 RU 2638082 C1 RU2638082 C1 RU 2638082C1 RU 2016126270 A RU2016126270 A RU 2016126270A RU 2016126270 A RU2016126270 A RU 2016126270A RU 2638082 C1 RU2638082 C1 RU 2638082C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- metallization
- metallized dielectric
- screen
- fractal
- emitter
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
- H01Q9/04—Resonant antennas
- H01Q9/30—Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole
- H01Q9/32—Vertical arrangement of element
- H01Q9/34—Mast, tower, or like self-supporting or stay-supported antennas
Abstract
Description
Изобретение относится к антенной технике, а более конкретно к печатным антеннам, и предназначено для построения бортовых антенных решеток радиотехнических комплексов спутникового базирования.The invention relates to antenna technology, and more particularly to printed antennas, and is intended to build on-board antenna arrays of satellite-based radio systems.
Известна конструкция симметричного вибраторного излучателя [1 - Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны.ю М.: Энергия, 1975, с. 335-337]. Полуволновой вибратор состоит из двух плеч [1 - рис. 9-1а, с. 336], сделанных из тонкого проводника, либо на печатной плате. В случае необходимости излучения в одном направлении вибратор расположен над металлическим экраном на расстоянии четверть длины волны от него. Также известны вибраторы с большой шириной плеч и настроечными шлейфами [1 - рис. 9-26, с. 336], имеющими несколько лучшее согласование.The known design of a symmetric vibrator emitter [1 - Markov G.T., Sazonov D.M. Antennas. Moscow: Energy, 1975, p. 335-337]. The half-wave vibrator consists of two shoulders [1 - Fig. 9-1a, p. 336] made of a thin conductor, or on a printed circuit board. If radiation in one direction is necessary, the vibrator is located above the metal screen at a quarter wavelength distance from it. Also known vibrators with large shoulder widths and training loops [1 - Fig. 9-26, p. 336], having slightly better agreement.
Недостатками данного излучателя являются большая длина плеч, узкая рабочая полоса частот.The disadvantages of this emitter are the large length of the shoulders, a narrow working frequency band.
Известна конструкция фрактальной антенны [2 - Guterman et al, Microstrip Fractal Antennas for Multistandard Terminals // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2004. vol. 3. pp.351-354]. Излучатель выполнен на печатной плате, помещенной над металлическим экраном. Кромка металлизации имеет фрактальную форму (кривая Коха). Один край антенны закорочен на экран, второй край соединен с коаксиальным кабелем. Благодаря, использованию фрактальной структуры размер антенны уменьшен на 23,8% в сравнении с прямоугольной печатной антенной с прямыми (нефрактальными) кромками.A known fractal antenna design [2 - Guterman et al, Microstrip Fractal Antennas for Multistandard Terminals // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2004. vol. 3. pp. 351-354]. The emitter is made on a printed circuit board placed above a metal screen. The metallization edge has a fractal shape (Koch curve). One edge of the antenna is shorted to the screen, the second edge is connected to the coaxial cable. Thanks to the use of a fractal structure, the antenna size is reduced by 23.8% compared to a rectangular printed antenna with straight (non-fractal) edges.
Недостатками этого излучателя являются узкая рабочая полоса антенны (1,74-2,2 ГГц по уровню коэффициента стоячей волны (КСВ), равного 3), антенна излучает в обе полусферы и является ненаправленной, кроме того, антенна принимает только одну поляризацию.The disadvantages of this radiator are the narrow working band of the antenna (1.74-2.2 GHz in terms of the standing wave coefficient (SWR) of 3), the antenna emits in both hemispheres and is non-directional, in addition, the antenna receives only one polarization.
Наиболее близким по сущности к изобретению является излучатель [3 - U.S. Patent US 6,842,141 В2, Jan. 11, 2005], взятый за прототип. Конструкция излучателя [3 - Fig. 20A, sheet 16 of 26] содержит сплошной металлический экран и верхнюю диэлектрическую плату (диэлектрическая проницаемость 3,55) с четырьмя металлическими плечами в форме четырехугольников с одним прямым углом, обращенным к центру излучателя, и противоположными вершинами, вытянутыми радиально. Между экраном и платой помещен вспененный диэлектрик. По крайней мере, два коаксиальных фидера присоединены к внутренним углам противоположных пар излучающих элементов. Рабочая полоса по уровню КСВ 2.5 составляет 1,75:1 [3 - Fig. 21B, sheet 17 of 26].The closest in essence to the invention is the emitter [3 - U.S. Patent US 6,842,141 B2, Jan. 11, 2005], taken as a prototype. Emitter Design [3 - Fig. 20A, sheet 16 of 26] contains a continuous metal shield and an upper dielectric board (dielectric constant 3.55) with four metal shoulders in the form of quadrangles with one right angle facing the center of the emitter and opposite vertices elongated radially. A foamed dielectric is placed between the screen and the board. At least two coaxial feeders are attached to the inner corners of the opposite pairs of radiating elements. The operating band at the level of SWR 2.5 is 1.75: 1 [3 - Fig. 21B, sheet 17 of 26].
Недостатком этого излучателя является то, что антенна имеет высокий профиль, высота излучателя над экраном 0,172 длины волны на нижней границе рабочего диапазона частот. Кроме того, антенна имеет большой вес и узкую полосу согласования.The disadvantage of this emitter is that the antenna has a high profile, the height of the emitter above the screen is 0.172 wavelengths at the lower boundary of the operating frequency range. In addition, the antenna has a large weight and a narrow matching band.
Задачей, на решение которой направлено изобретение является уменьшение массы и размеров излучателя, что является основным требованием, предъявляемым к устройствам, размещаемым на борту радиотехнических комплексов спутникового базирования, расширение полосы рабочих частот излучателя, получение однонаправленного излучения и равномерного коэффициента усиления в рабочей полосе частот излучателя.The problem to which the invention is directed is to reduce the mass and size of the emitter, which is the main requirement for devices placed on board satellite-based radio systems, expanding the operating frequency band of the emitter, obtaining unidirectional radiation and uniform gain in the working frequency band of the emitter.
Для решения поставленной задачи предлагается фрактальный излучатель, содержащий две параллельные металлизированные диэлектрические платы одна над другой, из них верхняя металлизированная диэлектрическая плата крестообразной формы с четырьмя вибраторными плечами в слое металлизации и экран соединены через симметрирующее устройство, состоящее из двух ортогонально соединенных металлизированных диэлектрических плат с проводящими полосковыми линиями, с одной стороны прикрепленными к точке возбуждения плеч вибраторов, с другой стороны - к экрану и питающей линии, при этом металлизированные диэлектрические платы симметрирующего устройства перпендикулярны к экрану.To solve this problem, a fractal emitter is proposed, containing two parallel metallized dielectric boards one above the other, of which the top cross-shaped metallized dielectric board with four vibrating shoulders in the metallization layer and the screen are connected through a balancing device consisting of two orthogonally connected metallized dielectric boards with conductive stripes, on the one hand attached to the point of excitation of the shoulders of the vibrators, on the other hand s - to the screen and supply line, wherein the metallized dielectric board balun perpendicular to the screen.
Согласно изобретению, кромка металлизации плеч вибраторов имеет фрактальную структуру, верхняя металлизированная диэлектрическая плата обрезана по контуру металлизации с небольшим отступом, в металлизации ее и экрана выполняется перфорация отверстиями разного размера, в металлизации верхней металлизированной диэлектрической платы выполнены узкие поперечные щели, на симметрирующем устройстве выполнены индуктивные элементы, при этом общая длина плеч пары вибраторов составляет не более 1/2λ, расстояние между металлизацией верхней металлизированной диэлектрической платы и экраном составляет не более 1/7λ, где λ - длина волны в свободном пространстве для нижней границы рабочей полосы частот фрактального излучателя.According to the invention, the metallization edge of the shoulders of the vibrators has a fractal structure, the upper metallized dielectric board is cut along the metallization contour with a slight indentation, perforation with holes of different sizes is performed in the metallization of it and the screen, narrow transverse slots are made in the metallization of the upper metallized dielectric board, inductive symmetrical device is made elements, while the total length of the shoulders of a pair of vibrators is not more than 1 / 2λ, the distance between the metallization of the upper allizirovannoy dielectric board and the screen is not more than 1 / 7λ, where λ - wavelength in free space for the lower limit operating frequency band of the fractal emitter.
Проведенный сравнительный анализ заявленного изобретения и прототипа показывает, что прототип изготовлен на плате со сплошной металлизацией, что делает излучатель прототипа более тяжелым, а в предлагаемом изобретении используются тонкие печатные платы со сделанной в них перфорацией. Прототип имеет высоту профиля 0,172λ, а у предлагаемого изобретения расстояние между металлизацией верхней металлизированной диэлектрической платы и экраном составляет не более 1/7λ, что делает его более компактным. У прототипа экран изготовлен из металлической пластины, а в предлагаемом изобретении в качестве экрана используется печатная металлизированная диэлектрическая плата, что снижает массу излучателя. У прототипа пространство между плечами вибратора и экраном заполнено вспененным диэлектриком, а у предлагаемого изобретения между плечами вибраторов и экраном находится воздух, что делает предлагаемое изобретение более легким.A comparative analysis of the claimed invention and the prototype shows that the prototype is made on a board with solid metallization, which makes the prototype emitter heavier, and the invention uses thin printed circuit boards with perforations made in them. The prototype has a profile height of 0.172λ, and the proposed invention, the distance between the metallization of the upper metallized dielectric board and the screen is not more than 1 / 7λ, which makes it more compact. The prototype screen is made of a metal plate, and in the present invention, a printed metallized dielectric board is used as the screen, which reduces the mass of the emitter. In the prototype, the space between the shoulders of the vibrator and the screen is filled with a foamed dielectric, and the proposed invention has air between the shoulders of the vibrators and the screen, which makes the invention easier.
Техническим результатом изобретения является получение излучателя меньшей массы, уменьшенных размеров, с более широкой рабочей полосой частот, с однонаправленным излучением и равномерным коэффициентом усиления излучателя в его рабочей полосе частот.The technical result of the invention is to obtain an emitter of smaller mass, reduced size, with a wider working frequency band, with unidirectional radiation and a uniform gain of the emitter in its working frequency band.
Сочетание отличительных признаков и свойств предлагаемого фрактального излучателя из литературы неизвестно, поэтому он соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.The combination of distinguishing features and properties of the proposed fractal emitter from the literature is unknown, therefore, it meets the criteria of novelty and inventive step.
На чертеже показан внешний вид фрактального излучателя.The drawing shows the appearance of a fractal emitter.
Фрактальный излучатель состоит из левого плеча 1, правого плеча 2, верхнего плеча 3 и нижнего плеча 4, выполненных на металлизированной диэлектрической плате 5 (верхняя плата) крестообразной формы. Применение фрактальной кромки металлизации расширяет диапазон рабочих частот за счет уменьшения активной части входного сопротивления фрактального излучателя. Для уменьшения веса фрактального излучателя в металлизации металлизированной диэлектрической верхней платы 5 сделана перфорация круглыми отверстиями разного диаметра, а также есть отверстия 6 вытянутой шестиугольной формы. Кроме того, для уменьшения веса металлизированной диэлектрической платы 5, она обрезана по контуру металлизации с небольшим отступом от кромки металлизации. Металлизированная диэлектрическая плата 5 через две одинаковые ортогонально соединенные металлизированные диэлектрические платы, являющиеся симметрирующим устройством 7, соединена с экраном 8, выполненным на еще одной тонкой металлизированной диэлектрической плате, в которой сделана перфорация отверстиями 9 для уменьшения веса экрана. Металлизированные диэлектрические платы симметрирующего устройства 7 перпендикулярны к экрану 8. Симметрирующее устройство 7 содержит индуктивные элементы для уменьшения емкостной составляющей входного импеданса, что приводит к получению более широкополосного согласования. На обратной стороне металлизированных диэлектрических плат симметрирующего устройства 7 находится полосковая линия переменной ширины (не показана), необходимая для согласования фрактального излучателя с питающей линией (не показана), расположенной на экране 8. Питающая линия, в свою очередь, соединена с коаксиальным разъемом (не показан), необходимым для снятия или подачи сигнала. Металлизированные диэлектрические платы симметрирующего устройства 7, благодаря наличию специальных вырезов, вставляются друг в друга таким образом, что образуют единое целое. Общая длина плеч пары вибраторов составляет не более 1/2λ, а расстояние между металлизацией верхней металлизированной диэлектрической платы 5 и экраном 8 составляет не более 1/7λ, где λ - длина волны в свободном пространстве для нижней границы рабочей полосы частот фрактального излучателя.The fractal emitter consists of the
Фрактальный излучатель изготавливается на верхней металлизированной диэлектрической плате 5 методом фотолитографии, отверстия на металлизированной диэлектрической плате 5 и экране 8 изготавливаются методом фрезерования. Металлизированная диэлектрическая плата 5 присоединяется к симметрирующему устройству 7 методом пайки. Экран 8 присоединяется ко второму концу симметрирующего устройства 7 методом пайки. Учитывая легкость и малую толщину используемых печатных плат, метод соединения пайкой является достаточно надежным для обеспечения прочности требуемой для применения на земной орбите.The fractal emitter is made on the top metallized
Наличие у предлагаемого излучателя фрактальной структуры кромки и перфорации в печатных платах значительно снижает массу фрактального излучателя в сравнении с прототипом. Симметрирующее устройство 7 позволяет сбалансировать сигналы, идущие на противоположные плечи вибраторов. Индуктивные элементы, расположенные на симметрирующем устройстве 7, позволяют дополнительно расширить рабочую полосу частот фрактального излучателя, что дает уровень КСВ менее 2,5 в полосе частот от 1,02 F0 до 2,6 F0. Благодаря наличию поперечных щелей в металлизации плеч вибраторов, снижена неравномерность коэффициента усиления фрактального излучателя до перепада в 2,1 дБ во всей рабочей полосе частот фрактального излучателя и всего лишь 1,25 дБ в полосе частот от 1,1 F0 до 2,6 F0, где F0 - нижняя частота рабочей полосы частот фрактального излучателя. Наличие четырех плеч 1, 2, 3 и 4 позволяет принимать либо линейные поляризации, либо круговую поляризацию. Развязка между ортогонально расположенными плечами фрактального излучателя составляет менее -20 дБ.The presence of the proposed emitter of the fractal structure of the edges and perforations in the printed circuit boards significantly reduces the mass of the fractal emitter in comparison with the prototype. The
Фрактальный излучатель служит для приема или передачи сверхвысокочастотного излучения. В режиме передачи на один или оба коаксиальных разъема подается СВЧ сигнал в рабочем диапазоне частот. Затем сигнал проходит через симметрирующее устройство 7, и попадает на излучающую структуру на металлизированной диэлектрической плате 5, в ней возбуждаются высокочастотные токи, создающие электромагнитное излучение. В режиме приема происходит обратный процесс, когда излучение принимается из окружающего пространства, а съем сигнала происходит через высокочастотный разъем. Экран 8 ограничивает диаграмму направленности фрактального излучателя так, что излучение не распространяется назад за экран. Симметрирующее устройство 7 расширяет рабочую полосу и позволяет возбуждать противоположные плечи фрактального излучателя синфазно. Благодаря наличию двух ортогональных пар плеч фрактальный излучатель может работать на двух линейных поляризациях либо на круговой.A fractal emitter is used to receive or transmit microwave radiation. In transmission mode, a microwave signal is applied to one or both coaxial connectors in the operating frequency range. Then the signal passes through a
Для проверки работоспособности предлагаемого устройства был изготовлен макет, испытания которого показали совпадение полученных характеристик с расчетными, в том числе удельная масса фрактального излучателя как элемента антенной решетки составила 1,6 кг/м2. Рабочая полоса частот макета фрактального излучателя составила от 1 F0 до 2.6 F0, где F0 - нижняя частота рабочей полосы фрактального излучателя. Получено широкополосное согласование в полосе частот от 1 F0 до 2.6 F0 по уровню КСВ 2,5.To test the operability of the proposed device, a mock-up was made, tests of which showed the coincidence of the obtained characteristics with the calculated ones, including the specific gravity of the fractal emitter as an element of the antenna array was 1.6 kg / m 2 . The working frequency band of the layout of the fractal emitter was from 1 F 0 to 2.6 F 0 , where F 0 is the lower frequency of the working band of the fractal emitter. Broadband matching is obtained in the frequency band from 1 F 0 to 2.6 F 0 in terms of SWR 2.5.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016126270A RU2638082C1 (en) | 2016-06-29 | 2016-06-29 | Fractal radiator |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016126270A RU2638082C1 (en) | 2016-06-29 | 2016-06-29 | Fractal radiator |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2638082C1 true RU2638082C1 (en) | 2017-12-11 |
Family
ID=60718534
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016126270A RU2638082C1 (en) | 2016-06-29 | 2016-06-29 | Fractal radiator |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2638082C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2795527C1 (en) * | 2021-12-15 | 2023-05-04 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") | Method for constructing antenna array |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007129417A (en) * | 2005-11-02 | 2007-05-24 | Japan Radio Co Ltd | Method of manufacturing patch antenna |
WO2013064204A1 (en) * | 2011-11-04 | 2013-05-10 | Kathrein-Werke Kg | Patch radiator |
RU2484559C2 (en) * | 2010-06-08 | 2013-06-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики" | Printed board with suspended substrate |
-
2016
- 2016-06-29 RU RU2016126270A patent/RU2638082C1/en active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007129417A (en) * | 2005-11-02 | 2007-05-24 | Japan Radio Co Ltd | Method of manufacturing patch antenna |
RU2484559C2 (en) * | 2010-06-08 | 2013-06-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики" | Printed board with suspended substrate |
WO2013064204A1 (en) * | 2011-11-04 | 2013-05-10 | Kathrein-Werke Kg | Patch radiator |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Статья: "Фрактальные антенны. Принципиально новый тип "ломаных" антенн", Ж. "ЭЛЕКТРОНИКА" связь и телекоммуникации, 5/2007. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2795527C1 (en) * | 2021-12-15 | 2023-05-04 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") | Method for constructing antenna array |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Hussain et al. | Closely packed millimeter-wave MIMO antenna arrays with dielectric resonator elements | |
US9793611B2 (en) | Antenna | |
US20110012788A1 (en) | Miniature Circularly Polarized Folded Patch Antenna | |
US8830135B2 (en) | Dipole antenna element with independently tunable sleeve | |
CN107078404B (en) | Triple polarized antenna element for signals | |
US8325093B2 (en) | Planar ultrawideband modular antenna array | |
US20040032378A1 (en) | Broadband starfish antenna and array thereof | |
CN107895846B (en) | Circular polarization patch antenna with broadband | |
Elsherbini et al. | Dual polarized wideband directional coupled sectorial loop antennas for radar and mobile base-station applications | |
AU2005222115B2 (en) | High gain antenna for microwave frequencies | |
US20120249385A1 (en) | Ultra-Wideband Conformal Low-Profile Four-Arm Unidirectional Traveling-Wave Antenna With A Simple Feed | |
KR100944968B1 (en) | Broadband circularly-polarized spidron fractal antenna | |
Akila et al. | Design and Analysis of Microstrip Patch Antenna Using Alumina and Paper Substrate for WiFi Application | |
Upadhyay et al. | Design of microstrip patch antenna array for WLAN application | |
Zomorrodi et al. | Chipless RFID Reader: Low-cost wideband printed dipole array antenna | |
RU2638082C1 (en) | Fractal radiator | |
Khare et al. | Triple band parasitic array antenna for CX-Ku-band application using out-of-phase coupling approach | |
RU2620195C1 (en) | Resonant antenna | |
Gour et al. | Bandwidth enhancement of a backfire microstrip patch antenna for pervasive communication | |
RU2335834C1 (en) | Super wide band transceiver antenna | |
Samsuzzaman et al. | Circularly polarized S band dual frequency square patch antenna using glass microfiber reinforced PTFE composite | |
RU2552230C2 (en) | Directional band antenna | |
De et al. | An investigation on end-fire radiation from linearly polarized microstrip antenna for airborne systems | |
Jothilakshmi et al. | Design of multilayer aperture coupled stacked microstrip patch antenna for WLAN applications | |
Deepak et al. | Design of miniaturized micro-strip patch antenna for low frequency mobile communication |