RU2479080C1 - Broadband microstrip antenna with trapezoidal cross section - Google Patents

Abstract

FIELD: radio engineering, communications.

SUBSTANCE: radiating element of a microstrip antenna comprising a rectangular radiator, arranged above a screening surface with an H-shaped slot and excited by a microstrip line with a train, is bent in direction of radiation of the microstrip antenna, so that in the cross section it has a trapezoidal shape, symmetrically relative to the plane of symmetry of the microstrip antenna, stretching via axes of symmetry of a rectangular metal screen with an H-shaped slot, the rectangular radiating element and the exciting microstrip line.

EFFECT: increased coefficient of antenna amplification and band of working frequencies by level of reflected power.

4 dwg

Description

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к антенно-фидерным устройствам, и может быть использовано преимущественно в системах радиосвязи и радионавигации.The invention relates to the field of radio engineering, in particular to antenna-feeder devices, and can be used mainly in radio communication systems and radio navigation.

Известна конструкция микрополосковой антенны (патент РФ 2020664, МПК H01Q 1/38), содержащей разделенный диэлектрической подложкой прямоугольный излучатель, имеющий треугольную форму в поперечном сечении, и экран, возбуждаемый коаксиальным кабелем, в которой в результате изменения изгиба излучающего элемента изменяется толщина полуоткрытого резонатора, образованного экраном и излучающим элементом. Следовательно, в резонаторе возбуждается не только основной тип волн ТЕ₁₁₀, что соответствует типовому для микрополосковой антенны режиму с излучением волн горизонтальной поляризации, но и волны типа ТЕ₀₁₁, что приводит к излучению также волн с вертикальной поляризацией.A known design of a microstrip antenna (RF patent 2020664, IPC H01Q 1/38) containing a rectangular emitter divided by a dielectric substrate having a triangular cross-sectional shape, and a screen excited by a coaxial cable, in which the thickness of the half-open resonator changes as a result of a change in the bending of the radiating element, formed by a screen and a radiating element. Therefore, not only the main type of TE ₁₁₀ waves is excited in the resonator, which corresponds to the typical mode for a microstrip antenna with the emission of waves of horizontal polarization, but also waves of the type TE ₀₁₁ , which also leads to the emission of waves with vertical polarization.

Существенными недостатками микрополосковой антенны (патент РФ №2020664, МПК H01Q 1/38) является то, что при небольшой толщине резонатора (при углах изгиба излучающего элемента α>50°) режим работы с вертикальной поляризацией волн является эффективным только в области высоких частот, кроме того, способ возбуждения микрополосковой антенны на основе коаксиального кабеля приводит к узкой полосе рабочих частот.Significant disadvantages of the microstrip antenna (RF patent No. 2020664, IPC H01Q 1/38) are that with a small thickness of the resonator (with bending angles of the radiating element α> 50 °), the operation with vertical polarization of the waves is effective only in the high frequency region, except Moreover, the method of exciting a microstrip antenna based on a coaxial cable leads to a narrow band of operating frequencies.

Известна конструкция монопольной антенны (патент US 006788295 В2, МПК H01Q 9/00), содержащая эллиптический излучатель, имеющий треугольную форму в поперечном сечении, параллельную малой оси эллипса, с одним или двумя прямоугольными вырезами, параллельными большой оси эллипса, коаксиальный кабель или согласующее устройство из полосковой линии, осуществляющие возбуждение антенны. При этом излучающий элемент изогнут либо в направлении излучения, либо против направления излучения монопольной антенны с образованием двугранного угла симметрично относительно малой оси эллипса, чем достигается простота изготовления и легкость подстройки входных сопротивлений за счет изменения изгиба антенного элемента совместно с площадью вырезов, легкость интегрирования в радиотехнические системы.A known design of a monopole antenna (patent US 006788295 B2, IPC H01Q 9/00) containing an elliptical emitter having a triangular cross-sectional shape parallel to the minor axis of the ellipse, with one or two rectangular cutouts parallel to the major axis of the ellipse, a coaxial cable or matching device from the strip line, exciting the antenna. In this case, the radiating element is bent either in the direction of radiation or against the direction of radiation of the monopole antenna with the formation of a dihedral angle symmetrically with respect to the small axis of the ellipse, thereby achieving simplicity of manufacture and ease of adjustment of input impedances by changing the bend of the antenna element together with the area of the cutouts, ease of integration into radio engineering system.

Существенными недостатками данной антенны являются малая полоса пропускания (не более 10% от несущей частоты) и низкое значение коэффициента усиления в рабочей полосе частот.Significant disadvantages of this antenna are a small bandwidth (not more than 10% of the carrier frequency) and a low gain in the working frequency band.

Наиболее близким техническим решением является выбранная в качестве прототипа микрополосковая антенная решетка (Chia-Luan Tang, Jyh-Ying Chiou, Kin-Lu Wong. BROADBAND DUAL-FREQUENCY V-SHAPE PATCH ANTENNA // MICROWAVE AND OPTICAL TECHNOLOGY LETTERS. - 2000. - Vol.25. - №2, April. - P.121-123), содержащая прямоугольный излучатель, экранную плоскость, имеющую в центре Н-образную щель и возбуждаемая микрополосоковой линией со шлейфом, расположенная над экраном антенны, при этом излучатель изогнут в направлении излучения с образованием двугранного угла симметрично относительно плоскости симметрии, проходящей через ось симметрии возбуждающей микрополосковой линии.The closest technical solution is the microstrip antenna array selected as a prototype (Chia-Luan Tang, Jyh-Ying Chiou, Kin-Lu Wong. BROADBAND DUAL-FREQUENCY V-SHAPE PATCH ANTENNA // MICROWAVE AND OPTICAL TECHNOLOGY LETTERS. - 2000. - Vol. .25. - No. 2, April. - P.121-123) containing a rectangular emitter, a screen plane having an H-shaped slot in the center and excited by a microstrip line with a loop located above the antenna screen, while the emitter is curved in the radiation direction with the formation of a dihedral angle symmetrically with respect to the plane of symmetry passing through about the symmetry of the exciting microstrip line.

Существенным недостатком микрополосковой антенны данной конструкции, ограничивающим возможности ее использования в качестве широкодиапазонной антенны портативного радиотехнического комплекса, является низкий уровень усиления, обусловленный тем, что в резонаторе, образованном излучателем и экранной плоскостью, появляется несколько типов волн, наличие которых формирует в электромагнитное поле две поляризации - горизонтальную и вертикальную, поскольку излучатель изогнут в сторону излучения антенны.A significant drawback of the microstrip antenna of this design, limiting the possibility of its use as a wide-range antenna of a portable radio complex, is the low gain due to the fact that several types of waves appear in the resonator formed by the emitter and the screen plane, the presence of which forms two polarizations in the electromagnetic field - horizontal and vertical, since the emitter is bent towards the radiation of the antenna.

Технический результат изобретения заключается в увеличении коэффициента усиления антенны (более 9 дБ в рабочем диапазоне частот) и полосы рабочих частот по уровню 10% отраженной мощности (более 50% от несущей).The technical result of the invention is to increase the antenna gain (more than 9 dB in the operating frequency range) and the operating frequency band at the level of 10% of the reflected power (more than 50% of the carrier).

Технический результат достигается тем, что в микрополосковой антенне, включающей прямоугольный излучатель, экранную плоскость, имеющую в центре Н-образную щель, и возбуждаемой микрополосоковой линией со шлейфом, расположенной над экраном антенны, излучающий элемент изогнут в направлении излучения микрополосковой антенны таким образом, что в поперечном сечении имеет трапецеидальную форму, симметрично относительно плоскости симметрии микрополосковой антенны, проходящей через оси симметрии экранной плоскости с Н-образной щелью, прямоугольного излучающего элемента и возбуждающей микрополосковой линии.The technical result is achieved in that in a microstrip antenna including a rectangular radiator, a screen plane having an H-shaped slit in the center, and an excited microstrip line with a loop located above the antenna screen, the radiating element is bent in the direction of radiation of the microstrip antenna so that the cross section has a trapezoidal shape, symmetrically with respect to the plane of symmetry of the microstrip antenna passing through the axis of symmetry of the screen plane with an H-shaped slot, directly golnogo radiating element and the exciting microstrip line.

На фиг.1 изображена конструкция трапецеидальной антенны; на фиг.2 приведена зависимость коэффициента отражения от частоты в рабочем диапазоне 1,5-2,5 ГГц; на фиг.3 приведена диаграмма Вольперта-Смита входного сопротивления антенны; на фиг.4 приведена зависимость коэффициента усиления от частоты в рабочем диапазоне частот.Figure 1 shows the construction of a trapezoidal antenna; figure 2 shows the dependence of the reflection coefficient on the frequency in the operating range of 1.5-2.5 GHz; figure 3 shows a diagram of the Volpert-Smith input impedance of the antenna; figure 4 shows the dependence of the gain on the frequency in the operating frequency range.

Микрополосковая антенна содержит прямоугольный излучатель 1, состоящий из основания 2 и боковых частей 3, расположенных под углом к основанию 2, экранную плоскость с Н-вырезом 4, микрополосковую линию 5 со шлейфом 6, диэлектрическую подложку 7 и экран антенны 8.The microstrip antenna contains a rectangular emitter 1, consisting of a base 2 and side parts 3, located at an angle to the base 2, a screen plane with an H-cut 4, a microstrip line 5 with a cable 6, a dielectric substrate 7 and an antenna screen 8.

СВЧ-энергия, поступающая по микрополосковой линии 5 и шлейфу 6 и образующая совместно с подложкой 7 и экраном 8 плоский волновод, излучается в пространство над экраном 8. Изменение длины шлейфа позволяет изменить входное сопротивление антенны, а значит подстроить уровень согласования с линией питания. Наличие Н-образной щели в экранной плоскости 4 является наилучшим решением для создания эффективной связи, а также для уменьшения обратного излучения антенны между возбуждающей микрополосковой линией 5 и излучателем 1. При такой системе возбуждения и связи достигается широкая полоса частот более 50% по уровню 10% отраженной мощности. Кроме того, в результате изгиба прямоугольного излучающего элемента в резонаторе, образованном излучателем 1 и экранной плоскостью 4, возбуждается преимущественно основной тип волны ТЕ₁₁₀, имеющей горизонтальную поляризацию. А боковые части излучателя вносят, с одной стороны, волны типа ТЕ₀₁₁, имеющие вертикальную поляризацию и ухудшающие характеристику усиления, с другой стороны, увеличивают апертуру антенны, что в свою очередь позволяет увеличить коэффициент усиления.Microwave energy coming through microstrip line 5 and cable 6 and forming a flat waveguide together with the substrate 7 and screen 8 is emitted into the space above the screen 8. Changing the length of the cable allows you to change the input impedance of the antenna, and therefore adjust the level of coordination with the power line. The presence of an H-shaped slit in the screen plane 4 is the best solution to create effective communication, as well as to reduce the return radiation of the antenna between the exciting microstrip line 5 and the emitter 1. With this system of excitation and communication, a wide frequency band of more than 50% at a level of 10% is achieved reflected power. In addition, as a result of the bending of the rectangular radiating element in the resonator formed by the emitter 1 and the screen plane 4, mainly the main type of wave TE ₁₁₀ , having horizontal polarization, is excited. And the lateral parts of the emitter are introduced, on the one hand, by waves of the TE ₀₁₁ type, which have vertical polarization and worsen the gain characteristic, on the other hand, increase the aperture of the antenna, which in turn allows one to increase the gain.

Claims (1)

Микрополосковая антенна, содержащая прямоугольный излучатель, размещенный над экранной плоскостью с Н-образной щелью и возбуждаемый микрополосковой линией со шлейфом, диэлектрическую подложку и экран антенны, отличающаяся тем, что излучающий элемент изогнут в направлении излучения микрополосковой антенны таким образом, что в поперечном сечении имеет трапецеидальную форму, симметрично относительно плоскости симметрии микрополосковой антенны, проходящей через оси симметрии экранной плоскости с Н-образной щелью, прямоугольного излучающего элемента и возбуждающей микрополосковой линии. A microstrip antenna comprising a rectangular emitter located above the screen plane with an H-shaped slit and excited by a microstrip line with a loop, a dielectric substrate and an antenna screen, characterized in that the radiating element is curved in the direction of radiation of the microstrip antenna so that it has a trapezoidal cross section a shape symmetrically with respect to the plane of symmetry of the microstrip antenna passing through the axis of symmetry of the screen plane with an H-shaped slot, of rectangular radiation element and exciting microstrip line.

Images