RU2793081C1

RU2793081C1 - Q-range microband antenna array

Info

Publication number: RU2793081C1
Application number: RU2022100654A
Authority: RU
Inventors: Андрей Викторович Гладких; Ярослав Николаевич Гусеница; Евгений Александрович Митрофанов; Михаил Николаевич Квасов; Сергей Владимирович Луговский; Александр Васильевич Ефремов
Original assignee: Федеральное государственное автономное учреждение "Военный инновационный технополис "ЭРА"
Filing date: 2022-01-12
Publication date: 2023-03-28

Abstract

FIELD: antenna equipment.

SUBSTANCE: invention relates to antenna equipment, in particular to UHF range printed antennas, and serves as an irradiator of a parabolic antenna of mobile terminals. Q-range printed antenna array is proposed, which includes functionally and structurally connected printed active irradiators, as well as two-stage power divider forming an asymmetric microband line and passive irradiators, while eight active irradiators in the form of rectangular metal plates have four cutouts, which, together with parallel outer sides of active irradiators, create electromagnetic radiation, and a passive irradiator in the form of a rectangular metal plate is placed next to each active irradiator to form a side connection. The power divider consists of T-shaped primary divider performing primary division of signal power and two symmetrically located and connected in parallel T-shaped secondary dividers providing signal transmission from the first divider arms to each active irradiator.

EFFECT: formation of directional characteristics not worse than those of horn antennas to irradiate a parabolic mirror, reduction in overall dimensions, and expansion of a working frequency band.

3 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ), в частности к печатным антеннам, и предназначено для использования в качестве облучателя параболической антенны для мобильных терминалов спутниковой связи и в других широкополосных приемо-передающих устройствах.The invention relates to microwave technology, in particular to printed antennas, and is intended for use as a parabolic antenna feed for mobile satellite communication terminals and in other broadband transceiver devices.

Известна конструкция печатной антенной решетки для передачи информации в миллиметровом диапазоне частот, описанная в патенте [US 7675466 В2 от 09.03.2010 г.], в которой используются связанные линии для распределения энергии между излучающими элементами и подводящей линией.A known design of a printed antenna array for transmitting information in the millimeter frequency range, described in the patent [US 7675466 B2 dated March 9, 2010], which uses coupled lines to distribute energy between the radiating elements and the supply line.

Недостатками известной конструкции являются узкая полоса рабочих частот и высокие требования к точности обеспечения малых зазоров между проводниками для получения заданного значения коэффициента связи по напряжению, что усложняет технологию изготовления антенны.The disadvantages of the known design are a narrow band of operating frequencies and high accuracy requirements for ensuring small gaps between the conductors to obtain a given value of the voltage coupling coefficient, which complicates the manufacturing technology of the antenna.

Известна конструкция печатной антенной решетки [US 9391375 В1 от 12.07.2016 г.] с щелевым методом возбуждения печатных излучателей.A known design of a printed antenna array [US 9391375 B1 dated 07/12/2016] with a slot method of excitation of printed emitters.

Недостатком известной конструкции являются узкая полоса рабочих частот и дополнительное паразитное влияние подводящих линий -добавленная емкость, создаваемая в диэлектрике между полосковым излучателем, слоями с зазором и подводящими линиями.The disadvantage of the known design is the narrow band of operating frequencies and the additional parasitic effect of the supply lines - the added capacitance created in the dielectric between the strip radiator, the layers with a gap and the supply lines.

Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является антенная решетка [SU 1756992 А1 от 23.11.1989 г.], предназначенная для передачи сигналов линейной поляризации и содержащая диэлектрическую подложку, с одной стороны которой расположен металлический экран, с другой - микрополосковый делитель мощности и прямоугольные полосковые излучатели.The closest technical solution, taken as a prototype, is an antenna array [SU 1756992 A1 dated 11/23/1989], designed to transmit linear polarization signals and containing a dielectric substrate, on one side of which there is a metal screen, on the other - a microstrip power divider and rectangular strip radiators.

Недостатком прототипа является узкая полоса рабочей частоты, ограничиваемая не только полосой пропускания использованных излучающих элементов, но и распределяющей линии.The disadvantage of the prototype is the narrow band of the operating frequency, which is limited not only by the bandwidth of the used radiating elements, but also by the distribution line.

Задачей изобретения является формирование направленных характеристик (ширины диаграммы направленности, коэффициента усиления, направления максимума излучения) не хуже, чем у рупорных антенн, выполняющих роль облучателей параболического зеркала, снижение габаритных размеров и расширение полосы рабочих частот.The objective of the invention is the formation of directional characteristics (width of the radiation pattern, gain, direction of the radiation maximum) no worse than those of horn antennas that act as feeds for a parabolic mirror, reduction in overall dimensions and expansion of the operating frequency band.

Технический результат достигается за счет того, что в микрополосковую антенну, представляющую собой антенную решетку в печатном исполнении, в которую введены функционально и конструктивно связанные и выполненные с оригинальной геометрией печатного рисунка активные излучатели, а также двухступенчатый делитель мощности, образующий несимметричную микрополосковую линию и пассивные (паразитные) излучатели, при этом восемь активных излучателей в виде прямоугольных металлических пластин имеют по четыре выреза, которые совместно с параллельными им внешними сторонами активных излучателей создают электромагнитное излучение, а у каждого активного излучателя размещен пассивный излучатель в виде прямоугольной металлической пластины таким образом, чтобы между ними была боковая (емкостная) связь; делитель мощности состоит из Т-образного первичного делителя, осуществляющего первоначальное деление мощности сигнала, четвертьволновых трансформаторов волнового сопротивления и двух симметрично расположенных друг относительно друга и параллельно соединенных Т-образных вторичных делителей, обеспечивающих передачу сигнала от плеч первого делителя на каждый активный излучатель, и которые с питающей линией являются связующим звеном между активными излучателями и входным портом, а возбуждение активных излучателей осуществляется за счет их непосредственной связи с делителем мощности. При этом СВЧ-сигнал подается через входной разъем антенны на питающую линию и поступает на вход первичного делителя, из которого подается через четвертьволновые трансформаторы на плечи двух вторичных делителей и поступает на активные излучатели, где происходит возбуждение электрического поля в зазорах активных излучателей, что обеспечивает сонаправленное протекание эквивалентного тока вдоль каждой из сторон антенны, параллельных вырезам, и возбуждение электромагнитной волны шестью участками протекания тока в каждом активном излучателе. Токи, протекающие по краям активных излучателей, с помощью емкостной связи через зазор создают индукционные токи проводимости на параллельных им сторонах пассивных излучателей, действующих как пассивный резонатор, изменяющих форму диаграммы направленности, направляя радиоволны, излучаемые активными излучателями, в один луч, увеличивая направленность антенной решетки. Пассивные излучатели настроены на нижнюю частоту относительно рабочего диапазона антенны и, тем самым, расширяют полосу рабочих частот; кроме того, эффект расширения полосы рабочих частот по сравнению с традиционным, прямоугольной формы, активного излучателя достигается за счет добавления в нем вырезов разной длины.The technical result is achieved due to the fact that the microstrip antenna, which is a printed antenna array, into which active radiators are functionally and structurally connected and made with the original geometry of the printed pattern, as well as a two-stage power divider forming an asymmetric microstrip line and passive ( parasitic) radiators, while eight active radiators in the form of rectangular metal plates have four cutouts, which, together with the outer sides of the active radiators parallel to them, create electromagnetic radiation, and each active radiator has a passive radiator in the form of a rectangular metal plate in such a way that between they were lateral (capacitive) connection; The power divider consists of a T-shaped primary divider that performs the initial division of the signal power, quarter-wave impedance transformers and two symmetrically located relative to each other and connected in parallel T-shaped secondary dividers that provide signal transmission from the arms of the first divider to each active radiator, and which with a supply line are the connecting link between the active emitters and the input port, and the excitation of active emitters is carried out due to their direct connection with the power divider. In this case, the microwave signal is fed through the input connector of the antenna to the supply line and enters the input of the primary divider, from which it is fed through quarter-wave transformers to the arms of two secondary dividers and enters the active radiators, where the electric field is excited in the gaps of the active radiators, which ensures co-directional the flow of an equivalent current along each of the sides of the antenna, parallel to the cutouts, and the excitation of an electromagnetic wave by six sections of the current flow in each active radiator. The currents flowing along the edges of active radiators, using capacitive coupling through the gap, create inductive conduction currents on parallel sides of passive radiators, acting as a passive resonator, changing the shape of the radiation pattern, directing radio waves emitted by active radiators into one beam, increasing the directivity of the antenna array . Passive radiators are tuned to a lower frequency relative to the operating range of the antenna and, thereby, expand the operating frequency band; in addition, the effect of expanding the operating frequency band compared to the traditional, rectangular active radiator is achieved by adding cutouts of different lengths in it.

Микрополосковая антенная решетка Q-диапазона представлена на чертежах:The microstrip Q-band antenna array is shown in the drawings:

- фиг. 1 - аксонометрическое схематичное изображение антенны;- fig. 1 - axonometric schematic representation of the antenna;

- фиг. 2 - вид сверху излучающей стороны антенны;- fig. 2 is a top view of the radiating side of the antenna;

- фиг. 3 - график зависимости коэффициента стоячей волны по напряжению от частоты;- fig. 3 is a plot of the voltage standing wave ratio versus frequency;

- фиг. 4 - диаграмма направленности микрополосковой антенной решетки в H-плоскости в декартовой системе координат;- fig. 4 - radiation pattern of the microstrip antenna array in the H-plane in the Cartesian coordinate system;

- фиг. 5 - диаграмма направленности микрополосковой антенной решетки в E-плоскости в декартовой системе координат;- fig. 5 - radiation pattern of the microstrip antenna array in the E-plane in the Cartesian coordinate system;

- фиг. 6 - график максимального коэффициента усиления микрополосковой антенной решетки в зависимости от частоты;- fig. 6 is a plot of the maximum gain of the microstrip antenna array versus frequency;

Конструкция микрополосковой антенной решетки Q-диапазона изображена на фиг. 1 и 2, где использованы следующие обозначения: 1 - проводящий рисунок; 2 - подложка; 3 - экран; 4 - разъем питания антенны; 5 - питающая линия; 6 - первичный делитель мощности; 7 - вторичный делитель мощности с четвертьволновыми трансформаторами; 8 - активный излучатель; 9 - пассивный излучатель.The design of the Q-band microstrip antenna array is shown in Fig. 1 and 2, where the following designations are used: 1 - conductive pattern; 2 - substrate; 3 - screen; 4 - antenna power connector; 5 - supply line; 6 - primary power divider; 7 - secondary power divider with quarter-wave transformers; 8 - active emitter; 9 - passive radiator.

Все восемь активных излучателей выполнены в виде прямоугольных микрополосковых антенн, имеющих по четыре выреза (см. фиг. 2), которые совместно с параллельными им внешними сторонами излучателей создают электромагнитное излучение.All eight active radiators are made in the form of rectangular microstrip antennas with four cutouts (see Fig. 2), which, together with the outer sides of the radiators parallel to them, create electromagnetic radiation.

Ширина активного излучателя, полученная экспериментальным путем, зависит от длины волны в линии λ_B, рассчитанной на центральной частоте рабочего диапазона:The width of the active radiator, obtained experimentally, depends on the wavelength in the line λ _B calculated at the center frequency of the operating range:

где

с - скорость света, м/с; fв и fн - верхняя и нижняя границы рабочего диапазона частот; ε - диэлектрическая проницаемость материала подложки.Where

c is the speed of light, m/s; fv and fn - upper and lower limits of the operating frequency range; ε is the permittivity of the substrate material.

Длина излучателя рассчитывалась по формуле:The emitter length was calculated by the formula:

Дополнительно у каждого активного излучателя размещен пассивный излучатель таким образом, чтобы между каждым активным и соответствующим пассивным излучателями была боковая емкостная связь.Additionally, each active radiator has a passive radiator in such a way that there is a lateral capacitive coupling between each active and the corresponding passive radiators.

Делители с питающей линией являются связующим звеном между активными излучателями и входным портом и выполняют распределение сигнала, поступающего от разъема питания антенны. При этом делители и питающая линия совместно с активными излучателями выполнены в виде несимметричной микрополосковой линии на распространенной в производстве подложке для сверхвысокочастотных печатных плат, например, марки RO4003C толщиной h=0,508 мм, диэлектрической проницаемостью ε=3,55 и тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ=0,0027.Dividers with a feed line are the link between the active radiators and the input port and perform the distribution of the signal coming from the antenna power connector. At the same time, the dividers and the supply line, together with active emitters, are made in the form of an asymmetric microstrip line on a substrate common in production for microwave printed circuit boards, for example, brand RO4003C, thickness h=0.508 mm, dielectric constant ε=3.55 and dielectric loss tangent tgδ= 0.0027.

Заявленная антенна работает следующим образом. СВЧ-сигнал подается на входной разъем антенны 4, от него через питающую линию 5 поступает на вход первичного делителя мощности 6, распределяясь, проходит через четвертьволновые трансформаторы до выходных плеч двух вторичных делителей 7 и поступает на активные излучатели 8. Происходит возбуждение электрического поля в вырезах активных излучателей, что обеспечивает сонаправленное протекание эквивалентного тока вдоль каждой из внешних сторон антенны, параллельных зазорам активных элементов, и возбуждение электромагнитной волны шестью участками протекания тока в каждом активном излучателе. Токи, протекающие по краям активных излучателей, за счет емкостной связи через зазор создают индукционные токи проводимости на параллельных им сторонах пассивных излучателей 9, действующих как пассивные резонаторы, изменяя форму диаграммы направленности, направляя радиоволны, излучаемые активными излучателями, в один луч, увеличивая направленность антенной решетки. Пассивные излучатели настроены на нижнюю частоту рабочего диапазона антенны и, тем самым, расширяют полосу рабочих частот.The claimed antenna works as follows. The microwave signal is fed to the input connector of the antenna 4, from it, through the supply line 5, it enters the input of the primary power divider 6, being distributed, passes through the quarter-wave transformers to the output arms of the two secondary dividers 7 and enters the active radiators 8. An electric field is excited in the cutouts active radiators, which ensures the co-directional flow of the equivalent current along each of the outer sides of the antenna, parallel to the gaps of the active elements, and the excitation of an electromagnetic wave by six sections of the current flow in each active radiator. The currents flowing along the edges of active radiators, due to capacitive coupling through the gap, create inductive conduction currents on the parallel sides of passive radiators 9, acting as passive resonators, changing the shape of the radiation pattern, directing radio waves emitted by active radiators into one beam, increasing the directivity of the antenna gratings. Passive radiators are tuned to the lower frequency of the antenna's operating range and, thereby, expand the operating frequency band.

Кроме того, эффект расширения полосы рабочих частот по сравнению с антенной с традиционными прямоугольными (без вырезов) активных излучателей достигается за счет добавления в нем вырезов разной длины.In addition, the effect of expanding the operating frequency band compared to an antenna with traditional rectangular (without cutouts) active radiators is achieved by adding cutouts of different lengths in it.

Как видно на графике зависимости коэффициента стоячей волны (КСВН) по напряжению от частоты (см. фиг. 3), полученного путем электродинамического моделирования с помощью программного продукта CST Suite Studio, потеря мощности в микрополосковой линии не превышает 25% при КСВН ≤ 3 в пределах частот, отмеченных на графике, а на частотах 40 ГГц и 44 ГГц потери ниже 10%. На фиг. 4 изображена диаграмма направленности антенны в H-плоскости в декартовой системе координат, на которой видно, что на частоте 40 ГГц максимум излучения направлен параллельно нормали к плоскости антенны и составляет примерно 11 дБ (главный лепесток), при увеличении частоты происходит образование нескольких максимумов. На фиг. 5 изображена диаграмма направленности в E-плоскости, которая показывает, что направление максимума излучения, величина которого 13,5 дБ, приходится также на нормаль к плоскости антенны. Зависимость максимального коэффициента усиления антенны от частоты, приведенная на графике фиг. 6, показывает, что на частоте 40 ГГц антенна имеет максимальное усиление (что также иллюстрируют графики фиг. 4 и 5).As can be seen from the plot of the standing wave ratio (VSWR) for voltage versus frequency (see Fig. 3), obtained by electrodynamic simulation using the CST Suite Studio software product, the power loss in the microstrip line does not exceed 25% at VSWR ≤ 3 within frequencies marked on the graph, and at frequencies of 40 GHz and 44 GHz, the losses are below 10%. In FIG. Figure 4 shows the antenna radiation pattern in the H-plane in the Cartesian coordinate system, which shows that at a frequency of 40 GHz, the radiation maximum is directed parallel to the normal to the antenna plane and is approximately 11 dB (main lobe), with increasing frequency, several maxima are formed. In FIG. 5 shows the radiation pattern in the E-plane, which shows that the direction of the maximum radiation, which is 13.5 dB, also falls on the normal to the plane of the antenna. The dependence of the maximum antenna gain on frequency, shown in the graph of Fig. 6 shows that the antenna has maximum gain at 40 GHz (which is also illustrated by the plots of FIGS. 4 and 5).

Общие размеры антенны, полученные экспериментальным путем, составляют: 34,6×30,0×0,578 мм.The overall dimensions of the antenna, obtained experimentally, are: 34.6×30.0×0.578 mm.

Оригинальная форма продольных вырезов активных излучателей обеспечивает излучение на верхней границе рабочего частотного диапазона антенны, внешние боковые грани излучателей создают электромагнитное излучение в нижней границе частотного диапазона.The original shape of the longitudinal cutouts of active radiators provides radiation at the upper limit of the working frequency range of the antenna, the outer side edges of the radiators create electromagnetic radiation at the lower limit of the frequency range.

В заявляемой конструкции микрополосковой антенны возбуждение активных излучателей обеспечивается с помощью несимметричной микрополосковой линии передач, уложенной между активными излучателями, расстояние между центрами которых не превышает 1,1 длины волны излучаемого электромагнитного поля для получения максимального коэффициента усиления по направлению к нормали плоскости антенны, а также - для передачи сигнала в диапазоне частот от 39 ГГц до 46 ГГц с потерями мощности, не превышающими 11% от мощности, подаваемой на разъем антенны в указанном частотном диапазоне (уровень коэффициента стоячей волны по напряжению ниже двух).In the proposed design of the microstrip antenna, the excitation of active radiators is provided using an asymmetric microstrip transmission line laid between active radiators, the distance between the centers of which does not exceed 1.1 wavelengths of the radiated electromagnetic field to obtain the maximum gain towards the normal of the antenna plane, and also - for transmitting a signal in the frequency range from 39 GHz to 46 GHz with a power loss not exceeding 11% of the power supplied to the antenna connector in the specified frequency range (the level of the voltage standing wave ratio is less than two).

Технический результат заключается в достижении направленных характеристик (ширины диаграммы направленности, коэффициента усиления, направления максимума излучения), сравнимых с характеристиками рупорных антенн, выполняющих роль облучателей параболического зеркала, а также в уменьшении габаритных размеров и расширении полосы рабочих частот по сравнению с аналогами.The technical result consists in achieving directional characteristics (width of the radiation pattern, gain, direction of the radiation maximum) comparable with the characteristics of horn antennas acting as feeds of a parabolic mirror, as well as in reducing the overall dimensions and expanding the operating frequency band compared to analogues.

Claims

1. Микрополосковая антенная решетка Q-диапазона, представляющая собой антенную решетку в печатном исполнении, в конструкцию которой введены функционально и конструктивно связанные печатные активные излучатели, а также двухступенчатый делитель мощности, образующий несимметричную микрополосковую линию и пассивные излучатели, при этом восемь активных излучателей в виде прямоугольных металлических пластин имеют по четыре выреза, которые совместно с параллельными им внешними сторонами активных излучателей создают электромагнитное излучение, а у каждого активного излучателя размещен пассивный излучатель в виде прямоугольной металлической пластины таким образом, чтобы между ними была боковая связь; делитель мощности состоит из Т-образного первичного делителя, осуществляющего первоначальное деление мощности сигнала, и двух симметрично расположенных друг относительно друга и параллельно соединенных Т-образных вторичных делителей, обеспечивающих передачу сигнала от плеч первого делителя на каждый активный излучатель, и которые с питающей линией являются связующим звеном между активными излучателями и входным портом, а возбуждение активных излучателей осуществляется за счет их непосредственной связи с делителем мощности.1. Q-band microstrip antenna array, which is a printed antenna array, the design of which includes functionally and structurally connected printed active radiators, as well as a two-stage power divider that forms an asymmetric microstrip line and passive radiators, with eight active radiators in the form rectangular metal plates have four cutouts, which, together with the outer sides of the active emitters parallel to them, create electromagnetic radiation, and each active emitter has a passive emitter in the form of a rectangular metal plate so that there is a lateral connection between them; The power divider consists of a T-shaped primary divider, which initially divides the signal power, and two T-shaped secondary dividers symmetrically located relative to each other and connected in parallel, ensuring signal transmission from the arms of the first divider to each active radiator, and which, with the supply line, are a link between the active emitters and the input port, and the excitation of active emitters is carried out due to their direct connection with the power divider.

2. Микрополосковая антенная решетка Q-диапазона по п. 1, отличающаяся тем, что возбуждающая излучатели несимметричная микрополосковая линия передач уложена между активными излучателями, расстояние между центрами которых не превышает 1,1 длины волны излучаемого электромагнитного поля для получения максимального коэффициента усиления по направлению к нормали плоскости антенны, и выполнена с возможностью передачи сигнала в диапазоне частот от 39 до 46 ГГц с потерями мощности не более 11% от мощности, подаваемой на разъем антенны, во всем частотном диапазоне по уровню коэффициента стоячей волны по напряжению ниже двух.2. Microstrip Q-band antenna array according to claim 1, characterized in that the asymmetric microstrip transmission line that excites the radiators is laid between active radiators, the distance between the centers of which does not exceed 1.1 wavelengths of the radiated electromagnetic field to obtain the maximum gain towards normal to the antenna plane, and is configured to transmit a signal in the frequency range from 39 to 46 GHz with power losses of not more than 11% of the power supplied to the antenna connector, in the entire frequency range in terms of the voltage standing wave ratio level below two.

3. Микрополосковая антенная решетка Q-диапазона по п. 1, отличающаяся вырезами разной длины в геометрической форме активных излучателей, являющимися вторичными источниками электромагнитного излучения по отношению к внешним боковым краям активных излучателей и определяющими верхнюю границу рабочего диапазона частот излучения антенны 46 ГГц.3. Microstrip Q-band antenna array according to claim 1, characterized by cutouts of different lengths in the geometric shape of active radiators, which are secondary sources of electromagnetic radiation in relation to the outer side edges of the active radiators and determine the upper limit of the operating frequency range of the radiation of the antenna 46 GHz.