RU2473157C1 - Малогабаритная свч-антенна на основе метаматериала - Google Patents
Малогабаритная свч-антенна на основе метаматериала Download PDFInfo
- Publication number
- RU2473157C1 RU2473157C1 RU2011146626A RU2011146626A RU2473157C1 RU 2473157 C1 RU2473157 C1 RU 2473157C1 RU 2011146626 A RU2011146626 A RU 2011146626A RU 2011146626 A RU2011146626 A RU 2011146626A RU 2473157 C1 RU2473157 C1 RU 2473157C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- metamaterial
- emitter
- small
- microwave antenna
- dielectric
- Prior art date
Links
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 23
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 14
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 230000002238 attenuated Effects 0.000 description 1
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано при создании и изготовлении малогабаритных антенн, обеспечивающих сужение диаграммы направленности. Техническим результатом заявленного изобретения является уменьшение массогабаритных характеристик СВЧ-антенн при одновременном сужении диаграммы направленности. Малогабаритная СВЧ-антенна на основе метаматериала включает излучатель, состоящий из металлического экрана; диэлектрической подложки, расположенной на металлическом экране; металлической накладки, расположенной на диэлектрической подложке; фидерной линии для подачи питания, электрически соединенной через отверстие в металлическом экране и диэлектрической подложке с металлической накладкой; диэлектрическую опору, расположенную на излучателе, а также метаматериал, расположенный на диэлектрической опоре, при этом метаматериал выполнен в виде слоистой структуры с идентичными поперечными размерами с излучателем и диэлектрической опорой, не превышающими длину волны. 7 з.п. ф-лы, 10 ил.
Description
Область техники
Изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано при создании и изготовлении малогабаритных антенн, обеспечивающих сужение диаграммы направленности.
Уровень техники
Из уровня техники известна конструкция антенны, в которой для сужения диаграммы направленности используется решетка из нескольких излучателей, соединенных синфазно. Чем больше излучателей располагается в решетке, тем уже диаграмма направленности [Воскресенский Д.И., Грановская Р.А., Давыдова Н.С. Антенны и устройства СВЧ (Проектирование фазированных антенных решеток). Под ред. Воскресенского Д.И. Москва: Радио и связь. 1981 год, 432 стр.].
Недостатком известного технического решения являются значительные массогабаритные характеристики (увеличение поперечных размеров антенны напрямую связано с ростом количества излучателей).
Наиболее близкой по сущности и достигаемому эффекту является конструкция антенны Фабри-Перо, включающая в свой состав излучатель, расположенный под слоем метаматериала на заданном расстоянии, и обеспечивающая сужение диаграммы направленности по сравнению с отдельно стоящим излучателем без слоя метаматериала [Lee D.H., Lee Y., Hao Y., Vardaxoglou Y., Park W.S. Perturbation input impedance matching technique for Fabry-Perot high gain antenna. Proc. Loughborough Antennas and Propagation Conference. Loughborough, UK. 17-18 March 2008. P.301-304].
Недостатками известного технического решения являются значительные массогабаритные характеристики антенны (антенна Фабри-Перо имеет поперечные размеры, в 5 раз большие по сравнению с ее излучателем).
Раскрытие изобретения
Техническим результатом заявленного изобретения является уменьшение массогабаритных характеристик СВЧ-антенн при одновременном сужении диаграммы направленности.
Технический результат заявленного изобретения достигается совокупностью существенных признаков, а именно: малогабаритная СВЧ-антенна на основе метаматериала включает излучатель, состоящий из металлического экрана; диэлектрической подложки, расположенной на металлическом экране; металлической накладки, расположенной на диэлектрической подложке; фидерной линии для подачи питания, электрически соединенной через отверстие в металлическом экране и диэлектрической подложке с металлической накладкой; диэлектрическую опору, расположенную на излучателе, а также метаматериал, расположенный на диэлектрической опоре, при этом метаматериал выполнен в виде слоистой структуры с идентичными поперечными размерами с излучателем и диэлектрической опорой, не превышающими длину волны. Слоистая структура метаматериала выполнена из чередующихся слоев резонансных структур и диэлектрического основания, причем расстояние между слоями резонансных структур выбирается по формуле:
где λ - длина волны;
ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрического основания.
Резонансная структура выполнена из регулярно расположенных электропроводящих элементов, число слоев резонансных структур слоистой структуры n выбирается из соотношения
1<n<5.
Резонансные структуры расположены симметрично друг над другом, при этом несоосность электропроводящих элементов резонансных структур выбирается из соотношения
r<λ/20,
где λ - длина волны.
Резонансные структуры выполнены на тонкой свободной полимерной пленке, расстояние от излучателя до слоистой структуры метаматериала подбирается таким образом, что фазовое распределение поля по поверхности диэлектрического основания слоистой структуры метаматериала близко к линейному. Фазовое распределение поля по поверхности диэлектрического основания слоистой структуры метаматериала определяется по формуле:
где s - расстояние от центра прямоугольного диэлектрического основания слоистой структуры метаматериала до точки, в которой вычисляется фаза;
r - расстояние от излучателя до поверхности прямоугольного диэлектрического основания слоистой структуры метаматериала;
λ - длина волны.
Краткое описание чертежей
Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами, где показано следующее.
На фиг.1 представлено трехмерное изображение малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала.
На фиг.2 представлен вид сверху малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала.
На фиг.3 представлено поперечное сечение (А-А) малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала.
На фиг.4 представлено трехмерное изображение излучателя малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала.
На фиг.5 представлен вид сверху излучателя малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала.
На фиг.6 представлено поперечное сечение (А-А) излучателя малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала.
На фиг.7 представлена расчетная зависимость коэффициента стоячей волны (далее КСВ) излучателя малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала от частоты, характеризующая уровень отражений в фидерную линию.
На фиг.8 представлена расчетная нормированная ДН излучателя малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала в двух ортогональных плоскостях, характеризующая ширину луча.
На фиг.9 представлена расчетная зависимость КСВ от частоты малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала, характеризующая уровень отражений в фидерную линию.
На фиг.10 представлены ДН малогабаритной СВЧ - антенны на основе метаматериала и без метаматериала в двух ортогональных плоскостях, характеризующая ширину луча.
На фиг.1-6 обозначено следующее:
1 - фидерная линия излучателя малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала;
2 - металлический экран излучателя малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала;
3 - диэлектрическая подложка излучателя малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала;
4 - металлическая накладка излучателя малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала;
5 - диэлектрическая опора малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала;
6 - диэлектрическое основание слоистой структуры метаматериала малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала;
7 - токопроводящий элемент резонансной структуры метаматериала малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала;
8 - слой резонансной структуры метаматериала малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала.
Осуществление изобретения
Заявляемая малогабаритная СВЧ-антенна на основе метаматериала функционирует следующим образом.
При облучении излучателем, состоящим из металлического экрана (2), диэлектрической подложки (3), расположенной на металлическом экране (2), металлической накладки (4), расположенной на диэлектрической подложке (3) и фидерной линии (1) для подачи питания, электрически соединенной через отверстие в металлическом экране (2) и диэлектрической подложке (3) с металлической накладкой (4), метаматериала (см. фиг.1-6) каждый слой резонансной структуры метаматериала (8) переотражает в пространство электромагнитные волны, испускаемые излучателем, причем расстояние между слоями резонансной структуры метаматериала (8) подобрано так, что переотраженное в направлении нормали каждым слоем резонансной структуры метаматериала (8) излучение от излучателя складывается в фазе. Волны от излучателя, отраженные каждым слоем резонансной структуры метаматериала (8) в направлении, обратном максимуму излучения излучателя, складываются в противофазе друг к другу и подавляются. Волны от излучателя, отраженные каждым слоем резонансной структуры метаматериала (8) под углом к направлению нормали излучателя, частично ослабляются, причем ослабление тем сильнее, чем больше угол отклонения от нормали к излучателю и чем больше количество слоев резонансной структуры метаматериала (8). С увеличением количества слоев резонансной структуры метаматериала (8) эффект сужения диаграммы направленности усиливается, однако при количестве слоев резонансной структуры метаматериала (8) более четырех дальнейшее увеличения количества слоев резонансной структуры метаматериала (8) слабо влияет на ширину диаграммы направленности (см. таблицу 1).
Измерения ДН (см. таблицу 1) проводились на стенде, включающем: опорно-поворотное устройство, на котором размещалась измеряемая антенна; открытый отрезок волновода, запитываемый через коаксиально-волноводный переход генератором сигналов AgilentE8267D; измеритель мощности Agilent Е4418В, подключенный к выходу измеряемой антенны.
При реализации заявленной малогабаритной СВЧ-антенны в качестве излучателя использовался печатный излучатель (патч) с квадратными металлическими экраном и накладкой, с фторопластовой диэлектрической подложкой и смещенной коаксиальной запиткой. Диэлектрическое основание слоистой структуры метаматериала в предпочтительном варианте выполнено в форме квадрата, а токопроводящие элементы - в форме спиралей. Излучатель под слоем метаматериала расположен на расстоянии от излучателя, равном толщине диэлектрической опоры.
Реализация заявленной малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала показала следующие характеристики.
1. Расчетный КСВ излучателя с метаматериалом на частоте 20 ГГц составляет 1,55 (см. фиг.7).
2. Расчетная ширина нормированной ДН излучателя с метаматериалом по уровню -3 дБ на частоте 20 ГГц в двух ортогональных плоскостях составляет 40,6 и 37,7 градуса, а уровень боковых лепестков составляет -10 и -13 дБ (см. фиг.8а, б). Полученные значения говорят о сужении ДН излучателя по сравнению с излучателем в 2,1 и 1,5 раза в двух ортогональных плоскостях при аналогичном уровне боковых лепестков.
3. Измеренный КСВ излучателя с метаматериалом на частоте 20 ГГц составляет 1,5, что совпадает с расчетным значением (см. фиг.9) и является удовлетворительной величиной [2].
4. Измеренная ширина нормированной ДН излучателя с метаматериалом по уровню -3 дБ на частоте 20 ГГц в двух ортогональных плоскостях составляет 22 и 26 градусов, при этом уровень боковых лепестков составляет -11 и -12 дБ (см. фиг.10). Полученные значения говорят о большем (на 25%) сужении ДН излучателя с метаматериалом по сравнению с расчетным при малом повышении уровня боковых лепестков, что показывает значительный эффект от применения пластины метаматериала.
В таблице 2 представлено сравнение расчетных/измеренных характеристик излучателя с метаматериалом и аналога (антенна Фабри-Перо).
| Таблица 2 | ||||
| Сравнение расчетных/измеренных характеристик излучателя с пластиной метаматериала и аналога. | ||||
| Расчетные/измеренные характеристики | Излучатель с метаматериалом | Аналог | ||
| Плоскость диаграммы направленности | Е | H | Е | Н |
| Ширина, мм | 15,5 | 80 | ||
| Высота, мм | 17,5 | 7 | ||
| Масса, г | 6 | 50 | ||
| Ширина ДН, град (расчетная/измеренная) | 40,6/22 | 37,7/26 | 5 | 5 |
Как видно из представленных данных, происходит уменьшение массогабаритных характеристик заявленной малогабаритной СВЧ-антенны на основе метаматериала при одновременном сужении диаграммы направленности (для известных технических решений сужение диаграммы направленности достигается за счет увеличения массогабаритных характеристик), что и является техническим результатом заявленного изобретения.
Источники информации
1. Воскресенский Д.И., Грановская Р.А., Давыдова Н.С. Антенны и устройства СВЧ (Проектирование фазированных антенных решеток). Под ред. Воскресенского Д.И. Москва: Радио и связь. 1981 год, 432 стр.
2. Драбкин А.Л., Зузенко В.Л., Кислов А.Г. Антенно-фидерные устройства. Москва.: Советское радио, 1974 год, стр.155, 157.
3. Lee D.H., Lee Y., Hao Y., Vardaxoglou Y., Park W.S. Perturbation input impedance matching technique for Fabry-Perot high gain antenna. Proc. Loughborough Antennas and Propagation Conference. Loughborough, UK. 17-18 March 2008. P.301-304.
Claims (8)
1. Малогабаритная СВЧ-антенна на основе метаматериала, включающая излучатель, состоящий из: металлического экрана; диэлектрической подложки, расположенной на металлическом экране; металлической накладки, расположенной на диэлектрической подложке; фидерной линии для подачи питания, электрически соединенной через отверстие в металлическом экране и диэлектрической подложке с металлической накладкой; диэлектрическую опору, расположенную на излучателе, а также метаматериал, расположенный на диэлектрической опоре, при этом метаматериал выполнен в виде слоистой структуры с идентичными поперечными размерами с излучателем и диэлектрической опорой, не превышающими длину волны.
2. Малогабаритная СВЧ-антенна по п.1, в которой слоистая структура метаматериала выполнена из чередующихся слоев резонансных структур и диэлектрического основания, причем расстояние между слоями резонансных структур выбирается по формуле
где λ - длина волны;
ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрического основания.
где λ - длина волны;
ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрического основания.
3. Малогабаритная СВЧ-антенна по п.2, в которой резонансная структура выполнена из регулярно расположенных электропроводящих элементов.
4. Малогабаритная СВЧ-антенна по п.3, в которой число слоев резонансных структур слоистой структуры n выбирается из соотношения
l<n<5.
l<n<5.
5. Малогабаритная СВЧ-антенна по п.4, в которой резонансные структуры расположены симметрично друг над другом, при этом несоосность электропроводящих элементов резонансных структур выбирается из соотношения
r<λ/20,
где λ - длина волны.
r<λ/20,
где λ - длина волны.
6. Малогабаритная СВЧ-антенна по п.5, в которой резонансные структуры выполнены на тонкой свободной полимерной пленке.
7. Малогабаритная СВЧ-антенна по п.6, в которой расстояние от излучателя до слоистой структуры метаматериала подбирается таким образом, что фазовое распределение поля по поверхности диэлектрического основания слоистой структуры метаматериала близко к линейному.
8. Малогабаритная СВЧ-антенна по п.7, в которой фазовое распределение поля по поверхности диэлектрического основания слоистой структуры метаматериала определяется по формуле
где s - расстояние от центра прямоугольного диэлектрического основания слоистой структуры метаматериала до точки, в которой вычисляется фаза;
r - расстояние от излучателя до поверхности прямоугольного диэлектрического основания слоистой структуры метаматериала;
λ - длина волны.
где s - расстояние от центра прямоугольного диэлектрического основания слоистой структуры метаматериала до точки, в которой вычисляется фаза;
r - расстояние от излучателя до поверхности прямоугольного диэлектрического основания слоистой структуры метаматериала;
λ - длина волны.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2473157C1 true RU2473157C1 (ru) | 2013-01-20 |
Family
ID=
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2797647C2 (ru) * | 2021-07-16 | 2023-06-07 | Самсунг Электроникс Ко., Лтд. | Печатная антенная решетка с широким углом сканирования |
| US12027773B2 (en) | 2021-07-16 | 2024-07-02 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Wide scanning patch antenna array |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU306787A1 (ru) * | 1970-02-09 | 1977-10-05 | Bujvol Kot Yu I | Активна малогабаритна свч антенна |
| EP0598580A1 (en) * | 1992-11-16 | 1994-05-25 | Hughes Missile Systems Company | Cross-slot microwave antenna |
| RU2390890C2 (ru) * | 2008-05-05 | 2010-05-27 | Ооо "Топкон Позишионинг Системс Снг" | Компактная микрополосковая антенна без использования диэлектрика (варианты) |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU306787A1 (ru) * | 1970-02-09 | 1977-10-05 | Bujvol Kot Yu I | Активна малогабаритна свч антенна |
| EP0598580A1 (en) * | 1992-11-16 | 1994-05-25 | Hughes Missile Systems Company | Cross-slot microwave antenna |
| RU2390890C2 (ru) * | 2008-05-05 | 2010-05-27 | Ооо "Топкон Позишионинг Системс Снг" | Компактная микрополосковая антенна без использования диэлектрика (варианты) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2797647C2 (ru) * | 2021-07-16 | 2023-06-07 | Самсунг Электроникс Ко., Лтд. | Печатная антенная решетка с широким углом сканирования |
| US12027773B2 (en) | 2021-07-16 | 2024-07-02 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Wide scanning patch antenna array |
| RU2799402C1 (ru) * | 2022-12-20 | 2023-07-05 | Самсунг Электроникс Ко., Лтд. | Антенная решетка с полупрозрачной деполяризующей метаповерхностью |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8928544B2 (en) | Wideband circularly polarized hybrid dielectric resonator antenna | |
| US8368595B2 (en) | Metamaterial loaded antenna devices | |
| Luo et al. | Planar slot antenna backed by substrate integrated waveguide cavity | |
| CN109888480B (zh) | 基于非周期方环结构的宽带多谐振超表面天线 | |
| Bhutani et al. | 122 GHz aperture-coupled stacked patch microstrip antenna in LTCC technology | |
| Patil et al. | Gain improvement of lower UWB monopole antenna using FSS layer | |
| Fan et al. | A wideband compact printed dipole antenna array with SICL feeding network for 5G application | |
| Fang et al. | A wideband Fabry–Perot cavity antenna with single-layer partially reflective surface | |
| Li et al. | Ultra-wideband endfire long-slot-excited phased array for millimeter-wave applications | |
| Yun et al. | Folded cavity-backed crossed-slot antenna | |
| Zhang et al. | An X-Band Circularly-Polarized Marine Radar Antenna Based on Spoof Surface Plasmon Polariton | |
| Esmaeili et al. | Coaxial-fed dual-layer SIW horn antenna with improved E-plane radiation pattern | |
| RU2557478C2 (ru) | Широкополосная двухполяризационная антенна | |
| Abbak et al. | Broad-band three layer suspended plate antenna | |
| RU2473157C1 (ru) | Малогабаритная свч-антенна на основе метаматериала | |
| KR100969883B1 (ko) | 반사형 편파 변환기와 편파 발생 장치 및 무선 신호의 송수신 장치 | |
| Zhang et al. | Wideband high-gain and low scattering antenna using shared-aperture metamaterial superstrate | |
| Moghaddam et al. | Ultrawide band tightly-coupled aperture magneto-electric dipole array over 20-40 GHz | |
| Anelli et al. | A Wideband Flexible Fabry-Perot Resonator Antenna: Inkjet-printing on Ultrathin PET Layers | |
| Zhang et al. | A Low Profile Aperture Coupled Patch Antenna Array Based on High Integration PCB Design | |
| Olokede et al. | A novel t-fed 4-element quasi-lumped resonator antenna array | |
| CA2732644C (en) | Wideband circularly polarized hybrid dielectric resonator antenna | |
| Gupta et al. | Design of Bow-tie Antenna over High Impedance Surface for Bluetooth and WLAN Applications | |
| Roat et al. | Substrate integrated waveguide fed circularly polarized elliptical dielectric resonator antenna array | |
| Kim et al. | Parallel plate mode suppressed strip-line fed antenna for CP phased array antenna |