Дводіапазонна дискова мікросмужкова антена з логоперіодичними випромінювачами

Реферат: Дводіапазонна дискова мікросмужкова антена з логоперіодичними випромінювачами містить діелектричну підкладку, з одного боку якої розташовано заземлену основу, а з іншого провідниковий диск, в якому виконані випромінювачі щілинного типу, які розташовані аксіальносиметрично відносно його центра під кутом 120° відносно один одного. В провідниковому диску виконані три групи щілинних випромінювачів у вигляді відрізків меандрової лінії, орієнтованих під кутом 120°, при цьому елементи відрізків ліній підкорюються логоперіодичному закону, тобто відстань між елементами та розмір осередку змінюються за законом зменшуючої геометричної прогресії з заданим знаменником, а розташування випромінювачів є таким, що зовнішня кромка мікросмужкового диска зазнає розриву у місці стиковки випромінювача та кромки диска. UA 116078 U (12) UA 116078 U UA 116078 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до антенної техніки надвисоких частот і може бути використана в радіотехнічних пристроях та системах різного призначення як самостійний функціональний модуль, а також як випромінювач у фазованих антенних ґратках. Відома робота [1], в якій наведено дані відносно дискової мікросмужкової антени з двома взаємно ортогональними щілинами. Щілини мали однакову довжину, точка перетину поздовжніх осей щілин співпадала з центром мікросмужкового диска. Збудження структури здійснювалось відрізком допоміжної мікросмужкової лінії, який мав гальванічний контакт з мікросмужковим диском. Недоліком даного технічного рішення є залежність параметрів мікросмужкової антени від довжини радіальної щілини. Зміна довжини радіальної щілини у реальній конструкції мікросмужкової антени пов'язана з певними технологічними та конструктивними труднощами. Присутній елемент підстроювання (шлейф) вимагає ретельного експериментального підбору його довжини та ширини для забезпечення прийнятного рівня параметрів. Дводіапазонна мікросмужкова дискова антена з азимутальними щілинами, прорізаною в провідниковому диску, описана в роботі [2]. Кути розкриву щілин були вибрані різними, збудження здійснювалось за допомогою коаксіального кабелю зі зміщеним центром збудження. Параметри такої антени суттєво залежать від кута сектора щілин, тому технологічні похибки при виготовленні конструкції антени суттєво впливають на смугу випромінювання, що підтверджується наведеними відносними полосами роботи 1,3 % та 1 % на вибраних частотах. Крім того, неаксіальний спосіб збудження дозволяє роботу лише на одному типі коливань. Відомі конструкції антен з радіальними щілинами, які прорізані радіально в мікросмужковому диску [3]. Збудження таких антен здійснювалось за допомогою відрізка мікросмужкової лінії, який мав гальванічний контакт з мікросмужковим диском. Такі конструкції забезпечують досить високий рівень характеристик. Суттєвими недоліками такого роду конструкцій є наступні. По-перше, коли використовується конструкція з непарною кількістю щілин або вони розташовані несиметрично відносно одна одної, енергетичні параметри таких антен суттєво залежать від місця вводу енергії електромагнітних хвиль. По-друге, конструкції з парною кількістю щілин за симетричного вводу енергії забезпечують відносно високий рівень узгодження з зовнішніми колами тільки в дуже вузьких полосах частот. По-третє, використовуваний тип збудження дозволяє ефективно працювати тільки поблизу резонансних частот тих типів коливань, фазові центри яких знаходяться поблизу кромки дискового резонатора. Найближчим до запропонованої корисної моделі аналогом за технічною суттю вибрана дискова мікросмужкова антена з логоперіодичними випромінювачами [4]. Дискова мікросмужкова антена містить діелектричну підкладку, одна зі сторін якої заземлена, провідниковий диск з трьома радіально розташованими щілинними неоднорідностями у вигляді відрізків меандрової лінії, орієнтованих під кутом 120°. Елементи відрізків ліній підкорюються логоперіодичному закону, тобто відстань між елементами та розмір осередку змінюються за законом зменшуючої геометричної прогресії з заданим знаменником. Передбачається, що збудження структури здійснюється аксіально-симетрично за допомогою відрізка коаксіальної лінії. Недоліками прототипу є те, що запропонована в [4] антена може ефективно працювати фактично лише на одній частоті, при цьому узгодження з зовнішніми колами вдається реалізувати лише на відносно доброму рівні (коефіцієнт стоячої хвилі за напругою (КСХН) чи некраще ніж 1,9), конструкція антени дозволяє працювати лише у досить вузькій полосі частот за сформованої діаграми спрямованості заданої форми. В основу запропонованої корисної моделі поставлена технічна задача створити дводіапазонну дискову мікросмужкову антену з можливістю просторового сканування діаграми та реалізувати високий рівень характеристик в заданих полосах частот при наявності простоти конструкції та зручності експлуатації. Поставлена задача вирішується завдяки тому, що в провідниковому диску виконані три групи щілинних випромінювачів у вигляді відрізків меандрової лінії, орієнтованих під кутом 120°. Елементи відрізків ліній підкоряються логоперіодичному закону, тобто відстань між елементами та розмір осередку змінюються за законом зменшуючої геометричної прогресії з заданим знаменником. При цьому розташування випромінювачів є таким, що зовнішня кромка мікросмужкового диска зазнає розриву у місці стиковки випромінювача та кромки диска. Передбачається, що збудження структури здійснюється аксіально-симетрично за допомогою відрізка коаксіальної лінії. Технічна суть запропонованого рішення пояснюється графічними зображеннями. Фіг. 1. Загальний вигляд структури. 1 UA 116078 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Фіг. 2. Топологія структури. Фіг. 3. Переріз структури. Фіг. 4. Залежності S11, для структури від частоти. Фіг. 5. Теоретична залежність узгодження. Фіг. 6. Експериментальна залежність КСХН від частоти. Фіг. 7. Експериментальна діаграма спрямованості на частоті 4.29 ГГц. Фіг. 8. Експериментальна діаграма спрямованості на частоті 5.39 ГГц. На Фіг. 1, Фіг. 2, Фіг. 3 зазначені: 1 - заземлена основа; 2 - діелектрична підкладка; 3 - провідниковий диск; 4 - відрізок збуджуючого коаксіалу; розміри елементів меандрової лінії позначені, як: g - геометричний розмір першого елемента меандрової лінії, t - розмір комірки меандрової лінії, w - ширина каналу меандрової лінії, S - довжина відрізка меандрової лінії; d - діаметр провідникового мікросмужкового диска, h - товщина діелектричної підкладки; εr - відносна діелектрична проникність підкладки. Під час подачі енергії електромагнітного поля за допомогою відрізка коаксіальної лінії в резонатор, утворений заземленою основою - 1 і провідниковим мікросмужковим диском - 3, в останньому збуджується певний спектр власних коливань. Кількість збуджених типів визначається співвідношенням робочої довжини хвилі (частоти генератора) і резонансними довжинами хвиль (резонансними частотами) власних типів коливань резонатора. За умови, що товщина діелектричної підкладки - 2 менша λðåç даного типу коливань, можливе збудження повного спектра коливань типу Еmn0, серед нижчих типів коливань є: Е110, Е210, Е010, Е310 [5]. Кожен із цих типів коливань має свій розподіл поверхневих струмів, що зумовлюватиме характер і ефективність взаємодії полів зі щілинними неоднорідностями. Оскільки зовнішня кромка мікросмужкового диска зазнає розриву у місці стиковки випромінювача та кромки диска, то і лінії токів найбільш довгохвильових типів коливань будуть зазнавати значних змін у своїй структурі, що віддзеркалюється на енергетичних характеристиках. Для визначення попередніх геометричних розмірів антени та очікуваних характеристик було здійснене чисельне моделювання параметрів випромінюючої структури. Результати моделювання дозволили спрогнозувати основні характеристики антени, визначити та скорегувати основні геометричні розміри елементів антени. На Фіг. 4 представлено залежності S11 - модуля коефіцієнта відбиття для структури для різних значень відносної діелектричної проникності. Як демонструють наведені залежності, є декілька частот, а також полоса частот, які можуть забезпечити відносно малий рівень відбиття, а тому можуть забезпечити достатньо ефективне випромінювання. У порівнянні з характеристиками прототипу [4] можна констатувати, що робоча полоса частот цілком зміщується у низькочастотну область. Рівень коефіцієнта відбиття суттєво зменшується, що говорить про більший рівень узгодження. Та в полосі частот 4.25…5.75 ГГц можливе випромінювання в деякій полосі частот. На Фіг. 5 наведена теоретична залежність узгодження в завданій полосі частот у вигляді діаграми Вольперта-Сміта. Як випливає з залежності, присутні дві сукупності параметрів (у тому числі, частотний параметр), які забезпечують прийнятний рівень узгодження. Тому така конструкція може працювати у двох діапазонах. Наявність деякого значення реактивності з позитивним знаком потребує використання компенсаційної ємності. Було виготовлено та випробувано макет, який відповідає всім істотним ознакам запропонованої корисної моделі. Макет запропонованої дискової мікросмужкової антени з випромінюючими елементами у вигляді відрізків меандрової лінії з залежністю параметрів за логоперіодичним законом був виконаний на основі фольгованого діелектрика ФЛАН-3,8 з діелектричною проникністю 3,8 і товщиною 0,5 мм, дисковий провідник мав діаметр 35 мм і був виконаний методом фотолітографії, відрізок коаксіальної лінії мав перетин 7,5×3,8 мм і хвилевий опір 50 Ом. Свіпування частоти здійснювалося в діапазоні частот від 3 до 6 ГГц. На Фіг. 6 наведено експериментальну залежність КСХН від частоти для запропонованої моделі. Як випливає з залежності, в полосі частот від 4.12 ГГц до 4.42 ГГц величина КСХН не перевищує рівні 1.5, тому в цій полосі структура є достатньо узгодженою, за рівнем 2.0 полоса розширюється та стає 4.05 …. 4.52 ГГц. У всьому дослідженому діапазоні є також частоти, які є близькими до резонансних частот канонічного мікросмужкового диска з урахуванням корекції на щілинні неоднорідності та компенсаційні ємності, а саме: Е210, Е010, Е410. Тому в цій полосі та окремих частотах можливе ефективне випромінювання. На Фіг. 7 та Фіг. 8 наведено діаграми спрямованості в кутомірній площині (θ°) на частотах 4.29 ГГц та 5.39 ГГц. Обидві діаграми однопелюсткові. Очевидно, що зі свіпуванням частоти 2 UA 116078 U 5 10 15 відбувається зміщення напрямку пелюстки діаграми. Зміщення становить приблизно 27°. Деяка несиметричність діаграми може бути пояснена похибками виготовлення макета. Таким чином, запропонована корисна модель дозволяє створити дискову мікросмужкову антену з можливістю просторового сканування діаграми та високим рівнем характеристик в заданих частотах, на фіксованих частотах, просту за конструкцією та зручну в експлуатації. Джерела інформації: 1. К.L. Wong and Υ.F. Lin. Circularly polarized microstrip antenna with a tuning stub. Electron. Lett., 1998. - 34. - P. 831-832. 2. K.B. Hsieh, M.H. Chen, and K.L. Wong. Single-feed dual-band circularly polarized microstrip antenna. Electron. Lett., 1998. - 34. - P. 1170-1171. 3. Maiboroda D.V., Pogarsky S.A. On the choice of optimal topology of a reflecting module based upon the circular microstrip structure. Telecommunication and Radio Engineering, 2014. - 73 (19). - P. 1713-1726. 4. Заявка на Патент України № u201605673 Дискова мікросмужкова антена з логоперіодичними випромінювачами. - дата подання 26.05.2016 5. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств /под ред. В.И. Вольмана. - М.: Радио и связь, 1982. - 328 с. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 30 Дводіапазонна дискова мікросмужкова антена з логоперіодичними випромінювачами, яка містить діелектричну підкладку, з одного боку якої розташовано заземлену основу, а з іншого провідниковий диск, в якому виконані випромінювачі щілинного типу, які розташовані аксіальносиметрично відносно його центра під кутом 120° відносно один одного, яка відрізняється тим, що в провідниковому диску виконані три групи щілинних випромінювачів у вигляді відрізків меандрової лінії, орієнтованих під кутом 120°, при цьому елементи відрізків ліній підкорюються логоперіодичному закону, тобто відстань між елементами та розмір осередку змінюються за законом зменшуючої геометричної прогресії з заданим знаменником, а розташування випромінювачів є таким, що зовнішня кромка мікросмужкового диска зазнає розриву у місці стиковки випромінювача та кромки диска. 3 UA 116078 U 4 UA 116078 U 5 UA 116078 U 6 UA 116078 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7