RU2799383C2 - Широкополосная антенна, в частности для системы микроволновой визуализации - Google Patents

Abstract

Настоящее изобретение относится к антенной структуре, встроенной в печатную плату (10), содержащей два диэлектрических слоя (52, 56), которые имеют одинаковую диэлектрическую постоянную, но различную толщину, симметричный спиральный излучающий элемент (60) на первой поверхности (51) первого диэлектрического слоя (52) и источник питания симметричной антенны через симметричную двухпроводную линию (70), имеющую тот же импеданс, что и симметричная антенна, отличающейся тем, что симметричная двухпроводная линия (70) соединяет симметричную спиральную антенну (60) с парой симметричных микрополосковых линий (80) передачи, расположенных на второй поверхности (57) второго слоя (56), при этом каждая микрополосковая линия (80) передачи выполнена такой, чтобы иметь импеданс, равный половине импеданса двухпроводной линии (70) передачи, и при этом она дополнительно содержит плоскость (85) заземления, расположенную на первой поверхности (55) второго слоя (56), соответствующей второй поверхности (53) первого слоя (52), выровненную с микрополосковыми линиями (80), причем плоскость (85) заземления выполнена с возможностью определения, в зависимости от толщины второго диэлектрического слоя (56) и расстояния между микрополосками (80), импеданса передачи симметричной микрополосковой линии. Техническим результатом при реализации заявленной группы изобретений является усовершенствование свойств антенн, а именно, оптимальные характеристики согласования импеданса во всем рабочем диапазоне частот; частотная характеристика равномерная и постоянная во всем рабочем диапазоне; сильная развязка между соседними антеннами; подходит для установки на той же печатной плате, на которой установлены сверхвысокочастотные компоненты; согласно другой выгодной особенности изобретения, толщина первого слоя составляет менее половины максимальной рабочей длины волны. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 17 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Область применения настоящего изобретения - это широкополосная планарная излучающая структура, предпочтительно работающая в диапазоне частот от 15 ГГц до 50 ГГц, которая может быть использована в качестве функционального блока для проектирования передающих/приемных антенных решеток для систем микроволновой визуализации.

Уровень техники

Виктор Рамси (Victor Rumsey), профессор Университета штата Огайо (США) в начале 50-х годов, а затем Университета Иллинойса с 1954 по 1957 год, проявлял большой интерес к семейству комплементарных антенн (антенн-аналогов), а именно антенн с постоянным импедансом, равным половине импеданса свободного пространства на всех частотах.

Особенностью самокомплементарной (самодополнительной) антенны является то, что ее металлическая часть конгруэнтна неметаллической, т.е. вторая часть может быть наложена на первую посредством жесткого (тугого) движения в плоскости или в пространстве.

Может быть разработано множество самокомплементарных геометрий. Рамси, после изучения этих структур в течение множества лет, установил, что импеданс и излучательные свойства не зависят от частоты, если форма антенны определена исключительно углами. Этот закон известен сегодня как принцип Рамси.

Принцип Рамси был экспериментально применен Джоном Дайсоном (John Dyson) из Университета Иллинойса, который в 1958 году построил первую спиральную антенну с частотно-независимыми характеристиками.

Тип комплементарной антенны, известный как двойная спираль Архимеда, был усовершенствован Артуром Марстоном (Arthur Marston) и Генри Коулманом (Henri Coleman) из ВМС США, которые оснастили ее направленными свойствами и запатентовали соответствующие технические решения в 1958 и 1959 годах, соответственно.

В последнее время было предложено и запатентовано множество способов изготовления спиральных антенн, например, в патентах US 5313216 и US 6137453.

Патент US 8390529, в частности, показывает структуру многослойной печатной платы, в которой спиральная антенна расположена на первой поверхности первого слоя, а плоскость заземления расположена на второй поверхности первого слоя (которая также соответствует первой поверхности второго слоя). Эта плоскость заземления представляет собой встраивание в печатную плату обычного решения для того, чтобы сделать излучение спиральной антенны мононаправленным. Плоскость заземления также расположена на второй поверхности второго слоя. Эту плоскость используют в качестве плоскости заземления для подключения системы питания антенны, например экранирующей проводящей оплетки для коаксиального кабеля.

Это решение, даже если оно имеет то преимущество, что оно встроено в печатную плату, не позволяет получить оптимизированные характеристики широкополосного излучения, в частности, с точки зрения согласования импеданса и передачи между передающей антенной и приемной антенной. Это ограничение вызвано резонансами на частотах, для которых толщина первого слоя эквивалентна величине, кратной четверти длины волны в материале, составляющем сам слой.

График, приведенный на фиг. 1, показывает частотную характеристику (параметр S21) антенны, соответствующей патенту US 8390529. Можно увидеть проблемы, вызванные резонансами и отсутствием однородности характеристики.

Вторая проблема структуры, показанной в патенте US 8390529, заключается в невозможности использования второй поверхности второго слоя для реализации линий передачи и сборки сверхвысокочастотных цепей, поскольку она представляет собой плоскость заземления, используемую для подключения источника питания антенны.

Третьей проблемой структуры, показанной в патенте US 8390529, является связь между соседними антеннами, как показано на фиг. 2 того же патента, вызванная возможным пропусканием части электромагнитной мощности через диэлектрический материал первого слоя. Следовательно, это решение не подходит для построения антенных решеток.

В документе US 6335710 раскрыта антенная структура, последовательно содержащая спиральную антенну, расположенную между слоем сегнетоэлектрического материала, который может иметь диэлектрическую постоянную от 80 до 1500, и слоем диэлектрика. Однако такая антенна не может быть использована в широкополосной планарной излучающей структуре с целью ее использования в системе микроволновой визуализации, поскольку она является настраиваемой антенной, имеющей узкую полосу частот. В частности, добротность этой антенны очень высока, чтобы можно было управлять волной, отраженной от слоя сегнетоэлектрического материала.

Раскрытие сущности изобретения

Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы усовершенствовать решение предшествующего уровня техники, предложив антенну, которая обладает свойствами, превосходящими свойства известных антенн.

Для этого в изобретении предложена антенная структура и печатная плата в соответствии с независимыми пунктами прилагаемой формулы изобретения. Варианты осуществления раскрыты в зависимых пунктах формулы.

Изобретение представляет собой антенную структуру, встроенную в печатную плату, содержащую два диэлектрических слоя, имеющих одинаковую диэлектрическую постоянную, но различную толщину (ha для первого слоя - по меньшей мере 1/8 максимальной рабочей длины волны - и hTL для второго слоя), симметричный (англ. balanced) спиральный излучающий элемент на первой поверхности первого диэлектрического слоя и источник питания симметричной антенны через симметричную двухпроводную линию, имеющую тот же импеданс, что и симметричная антенна, отличающуюся тем, что симметричная двухпроводная линия соединяет симметричную спиральную антенну с парой микрополосковых линий передачи, расположенных на второй поверхности второго слоя, причем каждая микрополосковая линия согласована таким образом, чтобы она имела импеданс, равный половине импеданса двухпроводной линии передачи, причем на первой поверхности второго слоя, эквивалентной второй поверхности первого слоя, расположена плоскость заземления, выровненная с симметричной микрополосковой линией и определяющая, в зависимости от толщины второго диэлектрического слоя и расстояния между микрополосками, импеданс передачи симметричной микрополосковой линии.

Краткое описание чертежей

Другие признаки, цели и преимущества настоящего изобретения станут очевидными при прочтении нижеследующего подробного описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, приведенные в качестве неограничивающего примера и в которых:

на фиг. 1 показана частотная характеристика (параметр S21) антенны в соответствии с патентом US 8390529,

на фиг. 2 показана частотная характеристика (параметр S21) антенны в соответствии с настоящим изобретением,

на фиг. 3 показан пример установки антенны в соответствии с настоящим изобретением, связанной со сверхвысокочастотными компонентами, установленными на общей печатной плате,

на фиг. 4 показан вариант фиг. 3, а точнее пример установки двух смежных антенн в соответствии с настоящим изобретением, связанных с соответствующими сверхвысокочастотными компонентами, установленными на общей печатной плате,

на фиг. 5 показана симметричная спиральная антенна в соответствии с настоящим изобретением на первой поверхности первого слоя,

на фиг. 6 показан вид заземления на второй поверхности первого слоя (соответствующей первой поверхности второго слоя) антенны в соответствии с настоящим изобретением,

на фиг. 7 показаны микрополосковые линии передачи, соединяющие антенны с сверхвысокочастотными микросхемами и микросхемы друг с другом, и

на фиг. 8-17 показаны различные виды в аксонометрии, плоскости или разрезе антенны в соответствии с настоящим изобретением.

Осуществление изобретения

На прилагаемых чертежах показана антенна 50 в соответствии с настоящим изобретением, встроенная в печатную плату 10.

Антенна 50 содержит два диэлектрических слоя 52, 56. Каждый диэлектрический слой 52, 56 имеет первую поверхность 51, 55 или верхнюю поверхность и вторую поверхность 53, 57 или нижнюю поверхность, которая противоположна первой поверхности 51, 55. Вторая поверхность 53 первого слоя 52 расположена обращенной к первой поверхности 55 второго слоя 56.

Два диэлектрических слоя 52, 56 имеют одинаковую диэлектрическую постоянную, но разную толщину. Толщина первого слоя 52 соответствует эталонному значению ha. Она равна по меньшей мере 1/8 максимальной рабочей длины волны. Таким образом, толщина, образованная первым диэлектрическим слоем 52, не является резонансной, и антенна 50 может работать в широкой полосе частот.

В одном варианте осуществления для ограничения общих размеров антенной структуры толщина ha первого слоя 52 меньше или равна половине максимальной рабочей длины волны. Это дает:

где λ_max - максимальная рабочая длина волны.

Например, толщина ha первого диэлектрического слоя 52 равна четверти максимальной рабочей длины волны (1/4 λ_max).

Толщина второго слоя 56 соответствует эталонному значению hTL.

Первый слой 52 и второй слой 56 могут быть изготовлены из любого подходящего диэлектрического материала, в частности из любого диэлектрического материала, который может быть использован для изготовления печатной платы. Их диэлектрическая постоянная ε_r также низка, чтобы гарантировать, что антенная структура излучает, и энергия не остается заключенной в первом слое 52. Например, диэлектрический материал первого и второго слоев 52, 56 может иметь диэлектрическую постоянную ε_r, большую или равную 2 и меньшую или равную 4.

Антенна 50 дополнительно содержит симметричный спиральный излучающий элемент 60 на первой поверхности 51 первого диэлектрического слоя 52 и источник питания симметричной антенны 50 через симметричную двухпроводную линию 70, имеющую такой же импеданс, что и симметричный излучающий элемент 50.

В одном варианте осуществления излучающий элемент 60 содержит два симметричных плеча 61, 62. Плечи 61 и 62 постепенно расходятся от центра антенны 50, где они подключены к источнику питания, к ее окружности. Изобретение не ограничено конкретным вариантом осуществления, показанным на прилагаемых чертежах, ни в отношении геометрии каждого плеча антенны, ни в отношении количества плеч.

Симметричная двухпроводная линия 70 соединяет симметричный спиральный излучающий элемент 50 с парой микрополосковых линий 80 передачи, расположенных на второй поверхности 57 второго слоя 56. Каждая микрополосковая линия 80 согласована так, чтобы ее импеданс был равен половине импеданса двухпроводной линии 70 передачи. На первой поверхности 55 второго слоя 56, соответствующей второй поверхности 53 первого слоя 52, расположена плоскость 85 заземления, выровненная с симметричной микрополосковой линией 80, и определяющая, в зависимости от толщины hTL второго диэлектрического слоя 56 и расстояния gTL между микрополосками, импеданс передачи симметричной микрополосковой линии 80.

В одном варианте осуществления толщина hTL второго слоя 56 строго меньше толщины ha первого слоя 52. Действительно, как было указано выше, толщина ha первого слоя по меньшей мере равна λ_max/8, чтобы обеспечить возможность излучения антенной структуры. Кроме того, толщина hTL второго слоя определена размерами микрополосковых линий 80 передачи и, в частности, их толщиной. Однако, поскольку предпочтительны микрополосковые линии передачи разумной толщины, толщина hTL остается небольшой и в любом случае меньше толщины ha первого слоя.

Кроме того, как можно видеть, например, на фиг. 9 и фиг. 11, симметричная двухпроводная линия не соединена с плоскостью 85 заземления. Точнее, плоскость 85 заземления имеет вблизи проводов симметричной двухпроводной линии 70 по существу круглые отверстия, диаметр которых больше диаметра каждого провода линии 70, так что плоскость 85 заземления проходит на расстоянии от указанных проводов.

В одном варианте осуществления соединительная часть микрополосковых линий 80, которая выполнена с возможностью подключения к источнику питания и которая проходит по существу параллельно плоскости 85 заземления, слегка расходится вблизи проводов симметричной двухпроводной линии 70 (которые проходят по существу перпендикулярно и на расстоянии от плоскости 85 заземления), так что каждая линия 80 выровнена с соответствующим проводом симметричной двухпроводной линии 70. Такая конфигурация соединительной части микрополосковых линий 80, таким образом, обеспечивает возможность плавного согласования импеданса между микрополосковыми линиями 80 и симметричной двухпроводной линией 70, улучшает передачу мощности и устраняет отражения мощности.

В одном варианте осуществления импеданс Z_ant спирального излучающего элемента 60 между точками источника питания плеч 61 и 62 спирального излучающего элемента 60 выполнен по существу равным 100 Ом (с точностью до 20%). Кроме того, симметричная двухпроводная линия 70 имеет импеданс между ее проводами, по существу, равный импедансу Z_ant спирального излучающего элемента 60, т.е. приблизительно 100 Ом (с точностью до 20%). Кроме того, импеданс каждой микрополосковой линии 80 передачи выбирают таким образом, чтобы каждая линия имела импеданс относительно земли, равный приблизительно 50 Ом, так что импеданс между линиями 80 равен приблизительно 100 Ом (с точностью до 20%). Благодаря такой конфигурации можно непосредственно собрать сверхвысокочастотные компоненты 20 (для которых симметричный импеданс входов и выходов в большинстве случаев равен приблизительно 100 Ом) на том же слое, что и микрополосковая линия 80 (т.е. на второй поверхности 57 второго слоя 56) без необходимости добавления промежуточного согласующего компонента, такого как переходной элемент согласования импедансов (т.н. "балун", англ. balun от balanced-unbalanced) между компонентом 20 и микрополосковыми линиями 80 передачи. Это прямое соединение особенно хорошо видно на фиг. 7, которая иллюстрирует сверхвысокочастотный компонент, собранный непосредственно на антенной структуре, без необходимости добавления согласующей схемы или внешней линии, содержащей балун. Поскольку балун является очень громоздким и дорогостоящим компонентом, его удаление имеет то преимущество, что значительно уменьшает габаритные размеры и стоимость антенной структуры.

Спиральный излучающий элемент 50 окружен стенкой 90, состоящей из вертикальных металлических соединений 92, с шагом sv между соединениями 92, который на

меньше минимальной рабочей длины волны, чтобы получить эффективное экранирование, способное сдерживать микроволновое поле:

В случае антенны 50 с расходящимися плечами 61, 62 стенка 90 может иметь по существу круглую форму.

Поскольку спиральный излучающий элемент 60 образует электрический диполь, криволинейная длина плеч 61, 62 предпочтительно по существу равна половине максимальной рабочей длины λ_max волны, так что ток равен нулю на внешнем конце проводов 61, 62. Следовательно, стенка 90 имеет такие размеры, что максимальный диаметр D_o спирального излучающего элемента 60 составляет от 0,5 до 1,5 максимальной длины волны: 0,75 λ_max≤D_o≤1,5 λ_max.

Кроме того, Заявитель эмпирически (экспериментально) определил, что для ограничения области излучения микроволнового поля при одновременном ограничении влияния стенки 90 на импеданс спирального излучающего элемента средний внутренний диаметр D_ov стенки соответствует следующему уравнению:

В одном варианте осуществления вся вторая поверхность 57 второго диэлектрического слоя 56 (за исключением поверхности вокруг микрополосковой линии 80 передачи и ее соединения с симметричной двухпроводной линией 70) покрыта слоем 59 материала, поглощающего радиочастоты, чтобы сделать диаграмму направленности антенны однонаправленной без возникновения каких-либо резонансных явлений. В одном варианте осуществления поглощающий материал слоя 59 может содержать материал, поглощающий широкий спектр миллиметровых волн, и/или материал, поглощающий микроволны, из эластомера с высокими потерями. Этот слой 90 позволяет развязывать соседние антенны, тем самым сводя к минимуму передачу мощности между одними и теми же антеннами. Конструктивные параметры антенны следующие:

Где: D_o показывает внешний диаметр излучающего элемента, т.е. его максимальный диаметр.

D_ov показывает средний внутренний диаметр стенки 90.

Z_ant показывает импеданс спирального излучающего элемента 60

ε_eff показывает эффективную диэлектрическую постоянную спирального излучающего элемента 60

ε_r показывает диэлектрическую постоянную первого слоя 52.

Например, для антенной структуры с первым слоем 52, имеющим диэлектрическую постоянную ε_r, равную 3, импеданс для спирального излучающего элемента 60 получается равным приблизительно 135 Ом.

Антенная структура в соответствии с такой структурой согласно изобретению имеет множество преимуществ:

- Оптимальные характеристики согласования импеданса во всем рабочем диапазоне частот,

- Частотная характеристика равномерная и постоянная во всем рабочем диапазоне (см. график, показанный на фиг. 2),

- Сильная развязка между соседними антеннами,

- Подходит для установки на той же печатной плате, на которой установлены сверхвысокочастотные компоненты 20, что обеспечивает большую экономию при изготовлении (фиг. 7),

- Согласно другой выгодной особенности изобретения, толщина первого слоя составляет менее половины максимальной рабочей длины волны.

Claims (32)

1. Широкополосная планарная излучающая структура для системы микроволновой визуализации, встроенная в печатную плату (10), содержащая:

первый и второй диэлектрические слои (52, 56), имеющие одинаковую диэлектрическую постоянную, но различную толщину, причем каждый из первого и второго диэлектрических слоев (52, 56) имеет первую поверхность (51, 55) и вторую поверхность (53, 57),

симметричный спиральный излучающий элемент (60) на первой поверхности (51) первого диэлектрического слоя (52), и

источник питания симметричной антенны через симметричную двухпроводную линию (70), имеющую тот же импеданс, что и спиральный излучающий элемент (60),

отличающаяся тем, что

симметричная двухпроводная линия (70) соединяет симметричную спиральную антенну (60) с парой симметричных микрополосковых линий (80) передачи, расположенных на второй поверхности (57) второго слоя (56), при этом каждая микрополосковая линия (80) передачи выполнена такой, чтобы иметь импеданс, равный половине импеданса двухпроводной линии (70) передачи, и

при этом она дополнительно содержит плоскость (85) заземления, расположенную на первой поверхности (55) второго слоя (56) и на второй поверхности (53) первого слоя (52), выровненную с микрополосковыми линиями (80), причем плоскость (85) заземления выполнена с возможностью определения, в зависимости от толщины второго диэлектрического слоя (56) и расстояния между проводами симметричной двухпроводной линии (70), импеданса передачи микрополосковых линий (80) передачи.

2. Широкополосная планарная излучающая структура для системы микроволновой визуализации по п. 1, в которой диэлектрическая постоянная первого слоя (52) и второго слоя (56) больше или равна 2 и меньше или равна 4.

3. Широкополосная планарная излучающая структура для системы микроволновой визуализации по одному из пп. 1 или 2, в которой спиральный излучающий элемент (60) окружен стенкой (90), состоящей из вертикальных металлических соединений (92).

4. Широкополосная планарная излучающая структура для системы микроволновой визуализации по п. 3, в которой шаг между соединениями (92) составляет менее

минимальной рабочей длины волны спирального излучающего элемента (60).

5. Широкополосная планарная излучающая структура для системы микроволновой визуализации по одному из пп. 3 или 4, в которой средний внутренний диаметр (D_ov) стенки (90) определен как функция максимального диаметра (D_o) спирального излучающего элемента (60) в соответствии со следующим уравнением:

где

D_ov представляет средний внутренний диаметр стенки (90), D_o представляет максимальный внешний диаметр спирального излучающего элемента (60).

6. Широкополосная планарная излучающая структура для системы микроволновой визуализации по одному из пп. 1-5, в которой вся вторая поверхность (57) второго диэлектрического слоя (56), вокруг микрополосковой линии (80) передачи и ее соединения с симметричной двухпроводной линией (70), покрыта слоем материала (59), поглощающего радиочастоты.

7. Широкополосная планарная излучающая структура для системы микроволновой визуализации по одному из пп. 1-6, в которой толщина первого слоя равна по меньшей мере 1/8 максимальной рабочей длины волны.

8. Широкополосная планарная излучающая структура для системы микроволновой визуализации по одному из пп. 1-7, в которой толщина первого слоя меньше или равна половине максимальной рабочей длины волны.

9. Широкополосная планарная излучающая структура для системы микроволновой визуализации по одному из пп. 1-8, в которой максимальный диаметр (D_o) спирального излучающего элемента составляет от 0,75 до 1,5 максимальной рабочей длины волны (λ_max):

где:

D_o представляет максимальный внешний диаметр излучающего элемента (60), и

λ_max представляет максимальную рабочую длину волны.

10. Печатная плата (10) для системы микроволновой визуализации, содержащая:

антенную структуру по одному из пп. 1-9, и

сверхвысокочастотный компонент (20), непосредственно соединенный с микрополосковыми линиями (80) передачи.

11. Печатная плата (10) по п. 10, которая не имеет согласующего компонента между микрополосковыми линиями (80) передачи и сверхвысокочастотным компонентом (20).

12. Печатная плата (10) по одному из пп. 10 или 11, в котором:

сверхвысокочастотный компонент (20), симметричные входы и выходы которого имеют предварительно заданный импеданс,

спиральный излучающий элемент (60) и симметричная двухпроводная линия (70) имеют импеданс (Z_ant), приблизительно равный импедансу симметричных входов и выходов сверхвысокочастотного компонента (20), и

каждая из микрополосковых линий (80) передачи имеет импеданс, по существу равный половине предварительно заданного импеданса.

13. Печатная плата (10) по п. 12, в которой предварительно заданный импеданс по существу равен 100 Ом.

14. Система микроволновой визуализации, содержащая по меньшей мере одну печатную плату по одному из пп. 10-13.

Images