SK50542006A3 - Mikropásková patchová anténa a jednobodové napájanie pre tento žiarič - Google Patents

Description

Predložené riešenie sa týka vytvorenia novej mikropáskovej patchovej antény vykazujúcej veľký zisk a nových variantov jej napájania.

Doterajší stav techniky

Vzhľadom nato, že výsledkom predloženého riešenia je vysokoziskový mikropáskový žiarič, teda anténa, je doterajší známy stav techniky zameraný práve na tieto typy žiaričov. Antény s veľkým ziskom sa v princípe realizujú buď pomocou anténnych radov, teda sústav jednotlivých žiaričov, napájaných pomocou siete napájacích vedení alebo pomocou antén s veľkou žiariacou plochou.

Anténne rady môžu byť zložené zo žiaričov rôznych typov, a to napríklad líniových, ako sú Yagi-Uda antény, plošných, ktoré predstavujú mikropáskové patchové antény, nazývané v anglickej literatúre patch antenne, alebo štrbinových, realizovaných vlnovodmi, opatrenými v stene štrbinami. Do tejto kategórie patrí i tzv. Franklinova anténa, čo je sústava sériovo zapojených polovlnových dipólov, takzvaný kolineárny rad dipólov, ktorých prepojenie je tvorené buď indukčnosťou alebo štvrťvlnovými pahýľmi. Toto prepojenie zaisťuje sfázované napájanie všetkých dipólov, čím je zaistené priečne vyžarovanie s úzkym hlavným zväzkom diagramu žiarenia. Anténne rady sa napájajú spravidla paralelne alebo sériovo napájacími vedeniami tvoriacimi napájaciu sieť. Nevýhodou týmto spôsobom napájaných anténnych radov je nutnosť realizovať napájaciu sieť. Napájanie môže byť i jednobodové, napr. u štrbinovej vlnovodovej antény, kedy je vnútri vlnovodu vytvorená stojatá vlna, ktorá je vyžarovaná štrbinami vyrezanými v stene vlnovodu, avšak toto riešenie má nevýhodu v tom, že vlnovod má vyššiu hmotnosť a je z hľadiska výroby zložitejší.

Ďalší spôsob zvýšenia zisku antény využíva princíp veľkých žiariacich plôch vo vzťahu k dĺžke použitej elektromagnetickej vlny, ktoré pracujú buď na princípe fokusácie vyžarovanej elektromagnetickej vlny v sústave ožarovač - reflektor, čo sú napríklad parabolické reflektorové antény, alebo na princípu fokusácie ožarovač šošovka, čo predstavujú šošovkové antény, t.j. dielektrické alebo kovové šošovky. Tieto antény patria do triedy tzv. aperturových antén. Ožarovač je jednobodovo napájaný napájacím vedením, a to buď koaxiálnym, vlnovodovým, pripadne inými typmi vysokofrekvenčných vedení. Nevýhodou vysokoziskových aperturových antén je to, že ich rozmery sú trojdimenzionálne vtom zmysle, že ide o zariadenie zaberajúce priestor porovnateľne vo všetkých troch dimenziách.

Podstata vynálezu

Vyššie uvedené nedostatky odstraňuje mikropásková patchová anténa s jednobodovým napájaním podľa predloženého riešenia, tvorená vodivou zemniacou plochou a vodivým tvarom žiariča, kde rozmer zemniacej plochy je väčší než rozmer tvaru žiariča a vzdialenosť tvaru nad zemniacou plochou je typicky v rozmedzí 0,01 - 0,1 Ag, kde Ag je vlnová dĺžka na danom substráte, a kde priestor medzi zemniacou plochou a tvarom žiariča je vyplnený vzduchom, pripadne dielektrickým substrátom. Jeho podstatou je, že v tvare žiariča je vytvorená aspoň jedna štrbina, ktorá je umiestnená symetricky vzhľadom k stredu tohto vodivého žiariča. Táto štrbina respektíve štrbiny majú v závislosti od šírky štrbiny dĺžku v rozmedzí 0,3 až 0,5 Ag a šírku od 0,005 do 0,1 Ag v závislosti od použitého dielektrického substrátu medzi žiaričom a zemniacou plochou. Vzdialenosť pozdĺžnej osi štrbiny respektíve štrbín ležiacich najbližšie k dolnému a hornému okraju tvaru leží od týchto okrajov v smere osi y v rozmedzí 0,4 až 0,6 Ag. Vzdialenosť priečnej osi štrbiny respektíve štrbín ležiacich najbližšie k ľavému a pravému okraju tvaru leží od týchto okrajov v smere osi x v rozmedzí 0,35 až 0,45 Ag. V najjednoduchšom prevedení je teda vytvorená jediná štrbina so stredom v strede tvaru žiariča, ktorá splňuje vyššie uvedené podmienky vzdialenosti jej pozdĺžnej a priečnej osi od príslušných okrajov tvaru.

V jednom z možných prevedení sú v kovovom žiariči vytvorené aspoň dve štrbiny, ktoré sú usporiadané do aspoň jedného radu a/alebo do aspoň jedného stĺpca. Pozdĺžne osi štrbín usporiadaných v jednom rade ležia na spoločnej priamke a priečne osi štrbín usporiadaných v jednom stĺpci ležia na spoločnej priamke. Stredy štrbín tvoria pravidelnú sieť a ich vzájomná vzdialenosť v smere osi x i v smere osi y je rovnaká, a to v rozmedzí 0,7 až 0,9 Ag. Vzdialenosť pozdĺžnych osí štrbín ležiacich u horného a dolného okraja tvaru v smere osi y je v rozmedzí 0,4 až 0,6 Ag od daného okraja tvaru. Vzdialenosť priečnych osí štrbín vytvorených u ľavého a pravého o kraja t varu v s mere o si x I eží o d d aného okraja v o v zdialenosti 0,35 a ž 0,45 Ag.

V ďalšom možnom usporiadaní je každý z radov tvorených aspoň jednou štrbinou ukončený na obvode tvaru žiariča z každej strany jedným zárezom. Ústie týchto zárezov leží na hrane tvaru žiariča. Dĺžka zárezov je v rozmedzí 0,15 až 0,25 Ag a ich šírka je rovná šírke štrbiny. Pozdĺžne osi štrbín a zárezov sú pozdĺž osi x umiestnené na priamke a stredy štrbín a stredy ústí zárezov (4) tvoria pravidelnú sieť, pričom ich vzájomná vzdialenosť pozdĺžne v smere osi x i priečne v smere osi y je rovnaká, a to v rozmedzí 0,7 až 0,9 Ag. Vzdialenosť pozdĺžnych osí štrbín a zárezov ležiacich u dolného a horného okraja tvaru v smere osi y od krajov tvaru leží v rozmedzí 0,4 až 0,6 Ag od daného okraja tvaru.

Ďalšie možné výhodné uskutočnenie napájania žiariča, okrem koaxiálneho napájania, je prostredníctvom mikropáskového vedenia. Toto jednobodové napájanie je vytvorené tak, že spodná strana tvaru je opatrená dielektrickým substrátom, na ktorom je umiestnené mikropáskové vedenie presahujúce v priečnej osi jednu štrbinu, a to s presiahnutím maximálne 0,5 Ag. Po pripojení vonkajšieho vodiča napájacieho konektora k tvaru žiariča a stredného vodiča konektora k mikropáskovému vedeniu tvorí tvar zemniacu plochu mikropáskovému vedeniu. Pôvodná vodivá zemniaca plocha umiestnená pod dielektrickým substrátom má vzhľadom k mikropáskovému napájaniu funkciu tieniacu a vzhľadom k tvaru žiariča funkciu odrazovú.

Výhodou tohto spôsobu napájania je fakt, že odrazová doska nemusí byť spojená s vonkajším vodičom napájacieho konektora/kábla. Vzdialenosť odrazovej dosky môže byť väčšia než sú rozmery dostupných vf konektorov. Ďalšia výhoda spočíva v tom, že odrazová doska nemusí byť konštruovaná súčasne so žiariacim tvarom. Anténou sa stáva žiariaci tvar s napájacím mikropáskovým vedením až po umiestnení do príslušnej vzdialenosti nad vodivú plochu.

Uvedený žiarič v sebe kombinuje rysy anténneho radu, teda viacerých samostatných zdrojových oblastí so sfázovanými prúdovými hustotami, a jednotlivého žiariča s jednobodovým napájaním. Výhodou je teda jednobodové napájanie napríklad pomocou koaxiálneho napájacieho vedenia alebo spôsobom podľa tohto riešenia a v závislosti od počtu štrbín a zárezov v tvare žiariča až niekoľkonásobne väčší zisk než vykazuje klasická mikropásková patchová anténa o rozmeroch približne 0,75 Ag x 0,5 Ag. Ďalšou výhodou je, že sa jedná o planárny typ antény, t.j. tretí rozmer antény, výška žiariča, je rádovo desaťnásobne menšia než ostatné dva rozmery šírka a dĺžka.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Predložené riešenie bude ďalej opísané pomocou priložených výkresov. Na obr.1 je schematicky uvedený príklad mikropáskovej patchovej antény s dvoma radami tvorenými jednou štrbinou a dvoma krajovými zárezmi. Na obr.2 je znázornené, akým spôsobom je možné vytvoriť iné varianty tohto žiariča. Niektoré typy nových variantov zobrazujú schematicky obr.3 až 5. Na obr.6 a 7 je potom znázornený nový spôsob napájania uvedenej mikropáskovej patchovej antény.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Príklad riešenia mikropáskovej patchovej antény podľa predloženého riešenia je schematicky naznačený na obr.1. Tento žiarič sa skladá z vodivej zemniacej plochy i, realizovanej napríklad pomocou zemniacej dosky s nenulovou hrúbkou, ktorej rozmer je väčší než rozmer vodivého tvaru 2 žiariča, ktorý je umiestnený spravidla o zlomok vlnovej dĺžky nad zemniacou plochou 1, typicky vo vzdialenosti 0,01 - 0,1 Ag, kde Ag je vlnová dĺžka na danom substráte. Priestor medzi zemniacou plochou 1 a tvarom 2 je vyplnený vzduchom, prípadne dielektrickým substrátom. V tvare 2 sú v danom p ríklade usporiadané symetricky okolo jeho stredu d va rovnobežné rady, z ktorých každý je tvorený jednou štrbinou 3 a dvoma krajnými zárezmi 4 umiestnenými pri obvode tvaru 2 žiariča. Je samozrejmé, že je možné vytvoriť analogické usporiadanie, kedy medzi zárezmi 4 bude vytvorené viac štrbín 3. Štrbiny 3 majú v závislosti od ich šírky dĺžku v rozmedzí 0,3 až 0,5 Ag a šírku typicky o d 0,005 do 0,1 Ag v závislosti od použitého dielektrického substrátu medzi tvarom 2 žiariča a zemniacou plochou T Je nutné, aby súčet dĺžok najbližších línií prúdovej hustoty obtekajúcich štrbinu 3 bol Ag. Ústie zárezov 4 leží na hrane tvaru 2 žiariča. Zárezy 4 majú dĺžku ležiacu v rozmedzí 0,15 až 0,25 Ag a šírku typicky od 0,005 do 0,1 Ag. Pozdĺžne osi zárezov 4 a štrbín 3 sú pozdĺž osi x umiestnené na priamke. Stredy štrbín 3 a stredy ústí zárezov 4 tvoria pravidelnú sieť a ich vzájomná vzdialenosť pozdĺžne, teda v smere osi x, i priečne, t. j. v smere osi y, je v rozmedzí 0,7 až 0,9Ag. Vzdialenosť pozdĺžnych osí štrbín 3 a zárezov 4, ležiacich u dolného a horného okraja tvaru 2 v smere osi y od krajov tvaru 2, leží v rozmedzí 0,4 až 0,6 Ag od daného okraja tvaru 2.

Pre prípad, kedy je žiarič tvorený iba štrbinami 3 bez zárezov 4 platí, že vzdialenosť pozdĺžnych osí štrbín 3 ležiacich u horného a dolného okraja tvaru 2 v smere osi y je v rozmedzí 0,4 až 0,6 Ag od daného okraja tvaru 2 a vzdialenosť priečnych osí štrbín 3 vytvorených u ľavého a pravého okraja tvaru 2 v smere osi x leží od daného okraja vo vzdialenosti 0,35 až 0,45 Ag.

Ďalšie tri varianty vytvorenia tvaru 2 žiariča sú uvedené na obr. 3 až 5, pričom ich vznik demonštruje obr. 2. Tieto varianty žiaričov vzniknú rozdelením tvaru 2 žiariča z obr. 1 približne v miestach vyznačených čiarkovanými čiarami, ktoré prechádzajú medzi štrbinami 3 (viď obr. 2). Vzniknú tak nasledujúce tvaru 2 žiaričov. Vodivý žiarič s jednou štrbinou 3, ako ukazuje obr.3, s dvomi nad sebou umiestnenými štrbinami 3 podľa obr.4 a s jedným radom tvoreným pozdĺžne vedľa seba umiestnenými jednou štrbinou 3 a dvomi krajovými zárezmi 4. Šípky v tvaroch 2 žiariča uvedené na obr. 3 až 5 predstavujú vektorové znázornenie povrchovej prúdovej hustoty pri budení napájacieho kolíku vysokofrekvenčným signálom.

Jednou z možností, ako uvedený vodivý žiarič napájať, je jednobodové koaxiálne napájanie. V tomto prípade je s tvarom 2 vodivo spojený napájači kolík 5, ktorý je tvorený stredným vodičom vysokofrekvenčného koaxiálneho napájacieho konektoru pripevnenom vodivo vonkajším vodičom zospodu kzemniacej ploche 1. Kolík 5 je umiestnený na osi y symetrie medzi štrbinami 3 vo vzdialenosti cca Ag/8 od spodnej z nich.

Inou možnosťou napájania žiariča okrem koaxiálneho napájania je napájanie prostredníctvom mikropáskového vedenia. V tomto prípade je spodná strana tvaru 2 opatrená dielektrickým substrátom 6i na ktorom je umiestnené mikropáskové vedenie

7. Toto mikropáskové vedenie 7 presahuje v priečnej osi jednu štrbinu 3, a to s presiahnutím maximálne 0,5 Ag. Pôvodná vodivá zemniaca plocha I umiestnená pod tvarom 2 preberá v tomto prípade vzhľadom k mikropáskovému vedeniu 7 funkciu tieniacu a vzhľadom k tvaru 2 žiariča funkciu odrazovú. Tvar 2 žiariča tvorí zemniacu plochu mikropáskovému vedeniu 7 po pripojení vonkajšieho vodiča napájacieho konektoru, ktorého stredný vodič je spojený s mikropáskovým vedením 7. Štrbina 3 budí príslušné rozloženie elektromagnetického poľa medzi tvarom 2 žiariča a odrazovou doskou tvorenou zemniacou plochou 1_, pričom vyžarovanie celej štruktúry je priečne, t.j. v smere normály k tvaru 2 žiariča.

Tento spôsob napájania je najbližšie podobný napájaniu väzobnou štrbinou, ktorá je však umiestnená vzemniacej ploche, ležiacou medzi tvarom a mikropáskovým vedením. Pri napájaní väzobnou štrbinou však nie je tvar žiariča zároveň zemniacou plochou mikropáskového vedenia ako je to u navrhovaného riešenia. Výhodou tohto spôsobu napájania je fakt, že odrazová doska nemusí byť spojená s vonkajším vodičom napájacieho konektora/kábla. Vzdialenosť odrazovej dosky môže byť väčšia než sú rozmery dostupných vf konektorov. Ďalšia výhoda spočíva v tom, že odrazová doska nemusí byť konštruovaná súčasne so žiariacim tvarom 2. Anténou sa stáva žiariaci tvar 2 s napájacím mikropáskovým vedením 7 až po umiestnení do príslušnej vzdialenosti nad vodivú zemniacu plochu 1.

Uvedený žiarič v sebe kombinuje rysy anténneho radu, teda viacerých samostatných zdrojových oblastí so sfázovanými prúdovými hustotami a jednotlivého žiariča s jednobodovým napájaním. Výhodou je teda jednobodové napájanie napríklad pomocou koaxiálneho napájacieho vedenia a v závislosti od počtu štrbín a zárezov v tvare žiariča až niekoľkonásobne väčší zisk než klasická mikropásková patchová anténa o rozmeroch približne 0,75 Äg x 0,5 Äg. Ďalšou výhodou je, že sa jedná o planárny typ antény, t.j. tretí rozmer antény, výška žiariča, je rádovo desaťnásobne menšia než ostatné dva rozmery, šírka a dĺžka.

Vyššie opísaná mikropásková patchová anténa pracuje nasledujúcim spôsobom. Štrbiny 3 a zárezy 4 umiestnené vo vyššie uvedených vzájomných vzdialenostiach tvoria tzv. poruchové prvky, teda prerušenie tvaru 2 žiariča, ktoré narušujú povrchovú prúdovú hustotu na povrchu tvaru 2 žiariča. Uvedené poruchové prvky eliminujú vyžarovanie z protifázových polovín povrchovej prúdovej hustoty, to znamená párnych polovín, počítané zhora či zdola v smere osi y, na tvare 2 žiariča. Tieto párne poloviny prúdovej hustoty obtekajú poruchové prvky a prúdy tečúce protismerne na protiľahlých stranách štrbín 3 vzájomne rušia svoje príspevky k vyžiarenému poľu. Na vyžarovaní sa potom podieľajú dominantne nepárne poloviny povrchovej prúdovej hustoty, ktoré sú vo fáze. Dôsledkom toho je úzko smerová charakteristika celého žiariča, ktorý vykazuje vyšší zisk než klasická jednoduchá mikropásková patchová anténa. Opísané rozloženie povrchovej prúdovej hustoty zodpovedá modusom elektromagnetického poľa TM_Oy, kde y je nepárne prirodzené číslo a označuje počet prúdových polovín v smeru osi y. Vysokoziskové mikropáskové patchové antény sú princípom svojej činnosti plošnou obdobou líniovej Franklinovej antény.

Priemyslová využiteľnosť

Predložené riešenie je využiteľné pre jednobodové vysokoziskové patchovej antény pre zariadenia využívajúce k svojej činnosti vysielanie/príjem elektromagnetických vín.

Claims (4)

1. Mikropásková patchová anténa tvorená vodivou zemniacou plochou a vodivým tvarom žiariča, pričom rozmer zemniacej plochy je väčší než rozmer tohto tvaru žiariča a vzdialenosť tvaru žiariča nad zemniacou plochou je typicky v rozmedzí 0,01 - 0,1 Ag, kde Ag je vlnová dĺžka na danom substráte, a kde priestor medzi zemniacou plochou a tvarom žiariča je vyplnený vzduchom, prípadne dielektrickým substrátom, vyznačujúca sa tým, že v tvare (2) žiariča je vytvorená aspoň jedna štrbina (3) umiestnená symetricky vzhľadom k stredu tohto tvaru (2) žiariča, ktorá má dĺžku v rozmedzí 0,4 až 0,5 Ag a ktorej šírka leží v rozmedzí 0,005 až 0,1 Ag a kde vzdialenosť pozdĺžnej osi štrrbiny (3) ležiacej u horného respektíve dolného okraja tvaru (2) v smere osi y je v rozmedzí 0,4 až 0,6 Ag od daného okraja tvaru a vzdialenosť priečnej osi štrbiny (3) vytvorenej u ľavého respektíve pravého okraja tvaru (2) v smere osi x leží od daného okraja vo vzdialenosti 0,35 až 0,45 Ag.

2. Mikropásková patchová anténa podľa nároku 1 vyznačujúca sa tým, že aspoň dve štrbiny (3) sú usporiadané do aspoň jedného radu a/alebo do aspoň jedného stĺpca, pričom pozdĺžne osi týchto najmenej dvoch štrbín (3) usporiadaných v jednom rade ležia na spoločnej priamke a/alebo priečne osi týchto najmenej dvoch štrbín (3) usporiadaných v jednom stĺpci ležia na spoločnej priamke, pričom stredy štrbín (3) tvoria pravidelnú sieť a ich vzájomná vzdialenosť v smere osi x i v smere osi y je rovnaká, a to v rozmedzí 0,7 až 0,9 Ag, pričom vzdialenosť pozdĺžnych osí štrbín (3) vytvorených u dolného a horného okraja tvaru (2) v smere osi y od okrajov tvaru (2) leží v rozmedzí 0,4 až 0,6 Ag od daného okraja tvaru (2) a vzdialenosť priečnych osi štrbín (3) vytvorených u ľavého a pravého okraja tvaru (2) v smere osi x leží od daného okraja vo vzdialenosti 0,35 až 0,45 Ag.

3. Mikropásková patchová anténa podľa nároku 1 alebo 2 vyznačujúca sa tým, že každý z radov tvorených aspoň jednou štrbinou (3) je ukončený na obvode tvaru (2) žiariča z každej strany jedným zárezom (4), pričom ich ústie leží na hrane tvaru (2) žiariča a ich dĺžka je v rozmedzí 0,15 až 0,25 Ag a šírka je rovná šírke štrbiny (3), pričom pozdĺžne osi štrbín (3) a zárezov (4) sú pozdĺž osi x umiestnené na priamke a stredy štrbín (3) a stredy ústí zárezov (4) tvoria pravidelnú sieť, pričom ich vzájomná vzdialenosť pozdĺžne v smere osi x i priečne v smere osi y je rovnaká, a to v rozmedzí 0,7 až 0,9 Ag, a vzdialenosť pozdĺžnych osí štrbín (3) a zárezov (4) ležiacich u dolného a horného okraja tvaru (2) v smere osi y od krajov tvaru (2) leží v rozmedzí 0,4 až 0,6 Ag od daného okraja tvaru (2).

4. Jednobodové napájanie mikropáskovej patchovej antény podľa nároku 1 alebo 2 vyznačujúce sa tým, že spodná strana tvaru (2) je opatrená dielektrickým substrátom (6), na ktorom je umiestnené mikropáskové vedenie (7) presahujúce v priečnej osi jednu štrbinu (3), a to s presiahnutím maximálne 0,5 Ag, pričom pôvodná vodivá zemniaca plocha (1) je pre mikropáskové vedenie (7) doskou tieniacou a pre tvar žiariča doskou odrazovou a tvar (2) žiariča tvorí zemniacu plochu mikropáskovému vedeniu (7) po pripojení vonkajšieho vodiča napájacieho konektora, ktorého stredný vodič je spojený s mikropáskovým vedením (7).