Полосковая антенна что это

Микрополосковая антенна

Рисунок 1. Вид простой патч-антенны в разрезе

Рисунок 1. Вид простой патч-антенны в разрезе

Микрополосковая антенна

Микрополосковая антенна (печатная антенна, патч-антенна, англ. Patch-antenna ) представляет собой узкополосную антенну с широким лучом. Физически такая антенна имеет двумерную геометрию. Основным элементом патч-антенны является плоская металлическая пластина («пятачок», от англ. patch – заплатка). В простейшей микрополосковой антенне используются пластины полуволновой длины, так что металлическая поверхность этих пластин действует как резонатор подобно полуволновому диполю. Микрополосковая антенна обычно изготавливается путем помещения металлической пластины заданной формы на изолирующем слое диэлектрика, подобно тому, как делают печатные платы, с той разницей, что на противоположной от пластины стороне диэлектрика устанавливается сплошная металлическая подложка, которая образует заземляющую поверхность. Такая конструкция проста в разработке и недорога в изготовлении. В некоторых патч-антеннах не используется сплошной слой диэлектрика, взамен чего металлические пластины устанавливаются над металлической подложкой на диэлектрических прокладках. Получающаяся структура является менее прочной, но имеет более широкую рабочую полосу частот. Микрополосковые антенны разрабатываются для частот от УВЧ-диапазона до 100 GHz.

В патч-антеннах в основном используются пластины квадратной, прямоугольной, круговой или эллиптической формы. Однако, возможно использование и любых других сплошных (непрерывных) форм. Патч-антенны характеризуются механической прочностью и могут иметь форму, соответствующую изогнутой поверхности транспортного средства. Такие антенны устанавливаются на внешних поверхностях самолетов или космических аппаратов, а также встраиваются в мобильные устройства радиосвязи. Они обладают высокой поляризационной избирательностью и могут использоваться для нескольких точек питания.

Рисунок 2. Микрополосковая антенная решетка морского навигационного FMCW-радиолокатора X-диапазона

Достоинства

Рисунок 2. Микрополосковая антенная решетка морского навигационного FMCW-радиолокатора X-диапазона

Рисунок 2. Микрополосковая антенная решетка морского навигационного FMCW-радиолокатора X-диапазона

Недостатки

Микрополосковые антенны появились в 1980-х годах. Изначально это была военная разработка, поэтому стоимость не имела решающего значения. В 1990-х эта технология была также адаптирована для устройств связи как низкозатратная технология. Однако эффективность микрополосковых решеток оставалась ниже, чем рефлекторных антенн. Далее приводится сравнение основных свойств антенн этих двух типов.

Микрополосковые антенны

Рефлекторные антенны

Издатель: Кристиан Вольф, Автор: Андрій Музиченко
Текст доступен на условиях лицензий: GNU Free Documentation License
а также Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported License,
могут применяться дополнительные условия.
(Онлайн с ноября 1998 года)

Источник

Полосковая антенна

Изобретение относится к антенной технике и предназначено для использования в аппаратуре связи и радиолокации в качестве одиночного широкополосного полоскового излучателя или как элемент низкопрофильной полосковой антенной решетки.

Известна микрополосковая антенна, содержащая проводящий полосковый диск, расположенный над металлическим экраном, запитанный в центре, в котором прорезано несколько концентрических резонансных щелей, настроенных на разные резонансные частоты /»Микрополосковая антенна». Авт. св. СССР N 1470138, кл. H 01 Q 13/10. Автор Р.Ф. Романов/. Антенна излучает на нескольких, не более 3-4, резонансных частотах, разнесенных по частотному диапазону. На каждой частоте ширина рабочей полосы частот по уровню КСВН меньше 3 не превышает нескольких процентов. Режим широкополосного излучения антенна не обеспечивает.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является полосковая антенна, содержащая несколько полосковых полуволновых излучателей, настроенных на разные резонансные частоты, расположенных над проводником (вдоль него) питающей несимметричной полосковой линии и ориентированных относительно него в разные стороны /»Последние достижения в области проектирования микрополосковых антенн». IEEE Transaction AP, 1981 г., V. AP-29, N 1, стр. 124-128/. Антенна является низкопрофильным полосковым аналогом логопериодической антенны и, согласно данным, приведенным в статье, обеспечивает рабочую полосу частот до 30% при КСВН меньше 2.

Возбуждение полосковых полуволновых излучателей в антенне-прототипе осуществлено за счет электромагнитной (негальванической) связи с бегущей волной тока в несимметричной полосковой линии. Поэтому недостатком антенны является значительный продольный, вдоль полоскового проводника, габарит не менее 2-3 средних длин волн, а центр излучения антенны с изменением частоты смещается вдоль антенны. Эти недостатки не позволяют использовать антенну-прототип в тех случаях, когда требуется более широкая полоса рабочих частот при размерах полоскового излучателя, не превышающих нескольких десятых средней длины волны.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является расширение рабочей полосы частот до величины с перекрытием 2:1 и уменьшение размеров полоскового излучателя до величины не более 0,5 0,5 _cp по п. 1 формулы и не более 0,3 0,4 _cp по п. 2 формулы.

Чертежи предлагаемого изобретения представлены на фиг. 1, 2, 3. На фиг. 1 представлен вид со стороны излучающей части полосковой антенны по п. 1 формулы и поперечный разрез полосковой антенны. На фиг. 2 представлен вид со стороны излучающей части полосковой антенны по п. 2 формулы. На фиг. 3 представлена типовая частотная зависимость согласования (КСВН) полосковой антенны.

Полосковая антенна содержит диэлектрическую подложку 1 (фиг. 1), на одной стороне которой расположен металлический экран 2, а на другой стороне расположен основной полосковый излучатель 3, одна кромка которого короткозамкнута на металлический экран 2 короткозамыкателем 4. К излучателю 3 подключен питающий фидер 5, выполненный в рассматриваемом примере в виде несимметричной полосковой линии, возбуждающей излучатель 3 через вырез в короткозамыкателе 4. Излучатель 3 может иметь различную форму (прямоугольник, как это представлено в примере на фиг. 1, или трапеция, часть диска и т.п.), выполнен в виде тонкой металлической пластины, имеющей, помимо кромки, короткозамкнутой короткозамыкателем 4, излучающую кромку 6 и две боковые стороны 7, 8.

На этой же стороне диэлектрической подложки 1, рядом с боковой стороной 7 излучателя 3, расположены N дополнительных полосковых излучателей 9, причем одна кромка каждого из них короткозамкнута на металлический экран 2 короткозамыкателем 10, и M дополнительных полосковых излучателей 11, у каждого из которых одна из кромок короткозамкнута на металлический экран 2 короткозмыкателем 12. Излучатели 11 расположены с противоположной боковой стороны 8 излучателя 3.

Полосковая антенна работает следующим образом. Питающий фидер 5 (фиг. 1) возбуждает излучатель 3 на резонансной частоте f_осн, величина которой определяется длиной периметра излучателя 3 (суммой длин короткозамкнутого края, излучающего края 6, боковых сторон 7, 8) и размером излучателя 3 в направлении, перпендикулярном к короткозамыкателю 4. При этом ширина рабочей полосы частот по уровню КСВН меньше 3 не превышает нескольких процентов. Короткозамыкатель 4 обеспечивает резонанс излучателя 3 на четверти длины волны _осн (основная мода).

Излучатели 9, расположенные с одной боковой стороны излучателя 3, имеют собственные резонансные частоты больше чем f_осн, причем по мере удаления от излучателя 3 собственные резонансные частоты излучателей 9 возрастают, т.е. равны
f_осн + f_i,
где
i = 1,2,3. N,
f₁ Изобретение относится к антенной технике, а именно к конструированию приемных антенн

Источник

Полосковые и микрополосковые антенны. Конструкции, достоинства и недостатки антенны. Распределение магнитных токов. Диаграмма направленности в плоскости Е и Н.

Полосковые и микрополосковые антенны выполняют по интегральной технологии, как и другие устройства СВЧ (делители мощности, фазовращатели, согласующие элементы). К достоинствам этого вида антенн относятся простота, сравнительно небольшие объем и масса, низкопрофильность, т.е. малое аэродинамическое сопротивление при размещении на поверхности летающих объектов.

Микрополосковые излучатели относятся к резонансным антеннам. Упрощенно можно считать, что объемный резонатор микрополоскового излучателя ограничен вертикальными стенками из идеального магнитопроводящего материала, расположенными по периметру пластины. В прямоугольных микрополосковых антеннах используется низший тип резонанса, при котором

где l₀» — длина волны в полосковой линии передачи с шириной проводника w£l/2.

Составляющая электрического поля в поперечном сечении плоской линии (вдоль координаты у) между пластиной и экраном распределена почти равномерно, а в продольном (вдоль координаты х) – по синусоидальному закону с пучностями на краях пластины. Заметные отклонения от такого идеализированного распределения наблюдаются только вблизи углов пластины и в окрестности точки питания.

Существенным недостатком одиночного микрополоскового излучателя является узкополосность, связанная с резонансным механизмом действия антенны.

Распределение магнитных токов и в эквивалентной щели, построенное исходя из картины распределения поля в резонаторе прямоугольной формы микрополосковой антенны. Главную роль в формировании излучаемого поля играют равномерно распределенные синфазные токи ₁ и ₃, создающие линейно поляризованное излучение с вектором Е, параллельным оси х. Токи ₂ и ₄ содержат на каждой боковой стороне пластины по два противофазных участка, излучение которых, в значительной степени взаимно компенсируется (точная компенсация имеет место в плоскостях zOx и zOy).

Можно получить следующие выражения для ДН прямоугольной микрополосковой антенны:

,

где ; ; .

В выражении для f_j первый член в скобках соответствует излучению двух торцевых щелей с равномерным распределением магнитного тока, второй член – излучению боковых щелей. Размер L должен определятся из условия резонанса L»0,5l₀ .

Характерный вид ДН прямоугольной микрополосковой антенны изображен на рисунке.

ДН микрополосковой антенны с прямоугольной пластиной в плоскости Е (а) и в плоскости Н (б)

Дата добавления: 2015-04-21 ; просмотров: 244 ; Нарушение авторских прав

Источник

Полосковая антенна

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве приемопередающей антенны как самостоятельно, так и в качестве излучающего элемента плоской антенной решетки.

Предлагаемая антенна иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-3.

На фиг.1 показан фрагмент металлического полоска предлагаемой антенны.

На фиг.2 показан общий вид металлического полоска предлагаемой антенны.

На фиг.3 показан общий вид предлагаемой антенны.

Отличительными от прототипа признаками предлагаемого решения являются уменьшение толщины диэлектрической подложки, отсутствие закорачивающей пластины и изменение ширины металлического полоска по вышеприведенному закону.

В результате этого в металлическом полоске можно выделить фрагмент длиной Т, который периодически повторяется в конструкции антенны. Контур повторяющегося фрагмента (фиг. 1) образован путем соединения отрезков прямых линий, что в значительной степени упрощает основной элемент антенны, его изготовление и контроль размеров при производстве и тем самым уменьшает стоимость антенны.

Указанная форма металлического полоска в сочетании с отказом от использования закорачивающей пластины дает возможность уменьшить толщину диэлектрической подложки до 0,2 и за счет этого значительно снизить общую толщину антенны.

Общий вид металлического полоска предлагаемой антенны показан на фиг.2. Длина полоска определяется из требуемой ширины диаграммы направленности антенны в плоскости Е.

Антенна работает следующим образом. Высокочастотный сигнал от питающей полосковой линии поступает на вход излучающей полосковой линии. В результате на поверхности полоска 3 возбуждается электрический ток, обеспечивающий образование диаграммы направленности, максимум основного лепестка которой сориентирован под углом к плоскости антенны.

Для увеличения коэффициента усиления используется антенна, содержащая n (n=2,3,4. ), идентичных один другому излучающих элементов, расположенных на одной стороне общей диэлектрической подложки, на другой стороне которой расположен общий металлический экран, при этом расстояние d между продольными осями симметрии излучающих элементов выбрано из соотношения 0,5d1,5. Для подачи электромагнитной энергии к каждому из n металлических полосков могут использоваться известные схемы питания.

Источник

Ликбез: основы теории по антеннам

Предисловие

В цикле статей «Ликбез по антеннам» планируется рассмотрение различного типа антенн, которые широко используются в беспроводной передачи данных. При описании антенн планируется разработка их электродинамической модели в распространенных программных пакетах, а также анализ их достоинств, недостатков и перспектив использования на беспроводных сетях будущего. В процессе прочтения данных статей читатели могут высказывать свои пожелания по дальнейшему рассмотрению тех или иных типов антенн. Все теоретические сведения будут приведены максимально наглядно без излишнего математического описания (насколько это возможно для теории антенн).

Введение

Таким образом, в систему излучения электромагнитного поля входят: генератор колебаний, фидер и излучатель. Конечно, сам фидер и генератор непосредственно в излучении не участвуют (или точнее – не должны участвовать, если они правильно сконструированы), рисунок 1.

Рисунок 1 – Элементы системы излучения электромагнитного поля

Любая антенна обладает так называемым принципом «двойственности», который говорит о том, что любая антенна может быть как передающей (то есть преобразовывать волны линии передачи в расходящиеся волны окружающего пространства), так и приемной (осуществлять обратное преобразование).

Вне зависимости от реализации и вида антенны, она характеризуется следующими основными параметрами:

Диаграмма направленности (ДН). Это распределение напряженности (или энергии) поля в пространстве, показывает в каких направлениях и с какой мощностью излучает антенная система. Строится эта зависимость, как правило, в сферической системе координат. В зависимости от вида диаграммы (от того, насколько диаграмма «острая») различают изотропные антенны, слабонаправленные, высоконаправленные. От вида диаграммы направленности зависят такие важные характеристики антенны как коэффициент направленного действия (КНД) и коэффициент усилении (КУ). Ниже мы рассмотрим вид диаграммы направленности, а также КНД и КУ одной из самой простых антенн в разных плоскостях.

Коэффициент полезного действия антенны. Он должен быть достаточно высоким, а потери – малыми, именно по этой причине при реализации антенн используют металлические конструкции, обладающие высокой проводимостью и диэлектрики с малыми потерями.

Согласование линии передачи с нагрузкой. Так как и передающая и приемная антенны соединяются с линией питания, то ее входное сопротивление должно быть согласовано с волновым сопротивлением линии. Иначе будет возникать нежелательное возникновение отраженных волн, а наличие последних – это всегда уменьшение излучаемой мощности и источник дополнительных помех.

Вес и габариты. Ясно, что при реализации любого устройства нужно стремиться к получению его наименьших массогабаритных размеров, однако, отметим, что размеры антенны однозначно связаны с основной длиной волны, на которой работает антенна. Вообще в антенной технике не существует понятия «большая» и «маленькая» антенна. Размеры антенны принято характеризовать в длинах волн. Если а – это диаметр зеркала (например, зеркальной антенны), то ее размер можно записать так: это значит, что в диаметр зеркала укладывается 8 длин волн. Если такое зеркало работает в диапазоне 2.4 ГГц (длина волны 12,5 см), то его диаметр будет составлять 1 метр, а если это диапазон 900 МГц (длина волны 33 см) – то диаметр уже больше 2.5 метров.

Принцип работы передающей антенны

Рассмотрим принцип действия простейшего излучающего устройства. Если взять простую двухпроводную симметричную линию, то излучать в пространство она не будет, несмотря на то, что в ней текут токи высокой частоты, рисунок 2.

Рисунок 2 – Двухпроводная линия

Излучение будет отсутствовать за счет того, что токи I и I’ находятся в противофазе, что приводит их к взаимной компенсации. Для получения излучения можно развести концы двухпроводной линии, чтобы поля от токов I, I’ не могла компенсировать друг друга, рисунок 3.

Рисунок 3 – Разомкнутая двухпроводная линия

Такая антенна получила название симметричного вибратора. Распределение тока в вибраторе остается таким же, каким оно было на соответствующем участке двухпроводной линии. Для исследования поля, излученного антеннами из проводов, удобно представлять такую антенну в виде совокупности элементарных электрических вибраторов (ЭЭВ) малой длины (малой по сравнению с длиной волны). В пределах каждого такого элементарного вибратора амплитуду и фазу тока можно считать неизменными. В конечном итоге общее поле, излученное антенной, можно рассчитать как сумму полей, излученных отдельными элементарными вибраторами (в теории это называется принцип суперпозиции).

На практике ЭЭВ реализуется в виде диполя Герца. Это антенна является первым реализованным излучателем электромагнитных колебаний, рисунок 4.

Рисунок 4 – Диполь герца

Такой излучатель можно сделать, если на концах тонких проводов (длиной L, меньшей длины волны) установить проводящие тела с большой емкостью (например, металлические шары). Заряженные шары создают токи, которые значительно выше емкостных токов между проводами. Так обеспечивается равномерное распределение тока вдоль проводника. Отметим, что на практике диполь Герца практически не используется.

Характеристики антенны на примере симметричного вибратора

Рисунок 5 – Симметричный вибратор

Cама антенна представляет собой развернутую двухпроводную линию, рассмотренную выше, в которой устанавливается режим стоячих волн.

В зависимости от того, какое отношение имеет длина вибратора L к длине волны λ, может формироваться различная геометрия диаграммы направленности. Для отношения 4L/λ=1 симметричный вибратор формирует диаграмму, показанную на рисунке 6:

Рисунок 6 – Трехмерная ДН симметричного вибратора длиной 4L/λ=2

Та же самая диаграмма, только нормированная и в вертикальной плоскости полярной системы координат:

Очевидно, что в горизонтальной плоскости диаграмма направленности будет иметь форму шара. Для наглядности вы можете себе представить, что посмотрите на трехмерный вид рисунка 6 сверху (на плоскость Phi).

Если отношение длины вибратора и длины волны 4L/λ=2, что соответствует увеличению частоты колебаний в 2 раза, то диаграмма направленности становится более «плоской» в вертикальной плоскости и как следствие имеет более высокий коэффициент усиления (примерно в 1.5 раза):

Рисунок 6 – Трехмерная ДН симметричного вибратора длиной 4L/λ=1

Дальнейшее увеличение частоты колебаний приводит к расщеплению диаграммы направленности:

Рисунок 7 – Расщепление диаграммы симметричного вибратора при увеличении частоты колебаний в 3 (слева) и 5 (справа) раз

Симметричный вибратор, несмотря на простоту, очень часто присутствует в качестве частей конструкции более сложных антенн. В заключении отметим, что все конструктивные реализации антенн создаются для того, чтобы создать направленность излучения в определенном направлении (или направлениях). Можно выделить два крупных класса способов реализации направленного излучения: это геометрическое воздействие на источник излучения (например, источник помещается в фокус параболоида или перед проводящим экраном) и воздействие токами, когда группа токов, сдвинутых по фазе, образуют суммарную направленную диаграмму (примером могут служить фазированные антенные решетки).

В дальнейшем будут рассмотрены различные модели антенн, перечисленных в аннотации.

Источник