RU2480870C1 - Multirange antenna of circular polarisation with metamaterial - Google Patents
Multirange antenna of circular polarisation with metamaterial Download PDFInfo
- Publication number
- RU2480870C1 RU2480870C1 RU2011136335/07A RU2011136335A RU2480870C1 RU 2480870 C1 RU2480870 C1 RU 2480870C1 RU 2011136335/07 A RU2011136335/07 A RU 2011136335/07A RU 2011136335 A RU2011136335 A RU 2011136335A RU 2480870 C1 RU2480870 C1 RU 2480870C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- antenna
- antenna element
- planar
- strip lines
- antenna elements
- Prior art date
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 12
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 9
- 238000004891 communication Methods 0.000 abstract description 3
- 230000008878 coupling Effects 0.000 abstract description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 21
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 13
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 7
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 6
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 4
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 3
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 2
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Waveguide Aerials (AREA)
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к антенной технике и может быть широко использовано в качестве самостоятельной приемной, передающей или приемо-передающей многодиапазонной антенны или элемента фазированной антенной решетки. В частности, антенна может применяться как приемная антенна в аппаратуре пользователей космических навигационной систем (GPS, ГЛОНАСС/GPS и т.п.), работающей одновременно в диапазонах L1, L2, L3, L4 и L5, или в качестве элемента фазированной антенной решетки с адаптивной обработкой сигналов для формирования «нулей» в диаграмме направленности (ДН) в направлении прихода преднамеренных или непреднамеренных (отраженных) помех в той же аппаратуре.The invention relates to antenna technology and can be widely used as a separate receiving, transmitting or receiving-transmitting multiband antenna or element of a phased antenna array. In particular, the antenna can be used as a receiving antenna in the equipment of users of space navigation systems (GPS, GLONASS / GPS, etc.) operating simultaneously in the ranges L1, L2, L3, L4, and L5, or as an element of a phased antenna array with adaptive signal processing to generate “zeros” in the radiation pattern (DF) in the direction of arrival of intentional or unintentional (reflected) interference in the same equipment.
Наиболее широко используемыми устройствами многочастотных микрополосковых антенн (МПА) являются устройства, у которых антенны на различные частотные диапазоны размещаются друг над другом таким образом, что антенны на более высокие частотные диапазоны расположены над антеннами на более низкие частотные диапазоны. Причем каждая упомянутая антенна служит земляной плоскостью для антенны над ней. Такие антенны получили название МПА этажерочного типа. Они могут запитываться от одного фидера, или от двух и более. В первом случае либо только одна антенна возбуждается непосредственно от фидера, а остальные связаны с ней посредством паразитной связи, либо запитываемые антенны объеденены с помощью согласующе-суммирующего устройства. Во втором случае каждая или несколько антенн запитываются от раздельных фидеров.The most widely used devices of multi-frequency microstrip antennas (MPAs) are devices in which antennas for different frequency ranges are placed one above the other so that antennas for higher frequency ranges are located above antennas for lower frequency ranges. Moreover, each of the aforementioned antennas serves as an earthen plane for the antenna above it. Such antennas are called MPA shelving type. They can be powered from one feeder, or from two or more. In the first case, either only one antenna is excited directly from the feeder, and the rest are connected to it through spurious communication, or the powered antennas are connected using a matching-summing device. In the second case, each or several antennas are fed from separate feeders.
Известна двухчастотная микрополосковая антенна, предназначенная для использования в глобальной навигационной спутниковой системе GPS в качестве самостоятельной антенны или элемента адаптивной антенной решетки, состоящая из двух расположенных друг над другом дисковых излучателей различного диаметра, разделенных диэлектрической пластиной и установленных соосно на вертикальной металлической стойке, замкнутой на основание антенны (патент США №4827271, МКИ4 H01Q 1/38, опубл. 02.05.1989 г.). Между основанием и дисками также установлена пластина диэлектрика. Основанием антенны служит внешняя обкладка направленного ответвителя (НО), выполненного на связанных полосковых линиях и питающего пару штырей, проходящих через отверстия в основании и нижнем дисковом излучателе и подключенных к верхнему дисковому излучателю в точках, расположенных под углом 90° относительно центра диска (для обеспечения излучения поля круговой поляризации). Радиальное расстояние, на котором подключены штыри к верхнему диску, выбрано из условия импедансного согласования верхнего дискового излучателя со штырями в верхнем частотном диапазоне, а отверстия в нижнем дисковом излучателе выполнены грушевидной формы для обеспечения его импедансного согласования со штырями в нижнем частотном диапазоне. Запитывается двухчастотная микрополосковая антенна от общего коаксиального кабеля.Known dual-frequency microstrip antenna, intended for use in the global navigation satellite GPS system as an independent antenna or element of an adaptive antenna array, consisting of two disk emitters of different diameters located on top of each other, separated by a dielectric plate and mounted coaxially on a vertical metal rack closed to the base antennas (US patent No. 4827271, MKI 4 H01Q 1/38, publ. 05/02/1989). A dielectric plate is also installed between the base and the discs. The base of the antenna is the outer lining of the directional coupler (BUT), made on connected strip lines and supplying a pair of pins passing through the holes in the base and lower disk emitter and connected to the upper disk emitter at points located at an angle of 90 ° relative to the center of the disk (to ensure radiation of the field of circular polarization). The radial distance at which the pins are connected to the upper disk is selected from the condition of impedance matching of the upper disk radiator with the pins in the upper frequency range, and the holes in the lower disk radiator are pear-shaped to ensure its impedance matching with the pins in the lower frequency range. The dual-frequency microstrip antenna is fed from a common coaxial cable.
Известна двухчастотная антенна, предназначенная для использования в качестве приемной антенны навигационных приемников глобальной навигационной спутниковой системы, состоящая из двух подложек, на которые нанесены микрополосковые резонансные элементы частотных диапазонов L1, L2 (патент ФРГ №DE 3814382 A1, опубл. 9.11.89). Основанием антенны служит внешняя обкладка согласующего устройства, выполненного на симметричных полосковых линиях и питающего пару штырей, один из которых подключен к нижнему резонансному элементу, а второй пропущен через отверстие в центре первого резонансного элемента и подключен к верхнему резонансному элементу на некотором удалении от его центра. Запитывается двухчастотная микрополосковая антенна через согласующее устройство от общего коаксиального кабеля.Known dual-frequency antenna, intended for use as a receiving antenna of navigation receivers of the global navigation satellite system, consisting of two substrates, on which are applied microstrip resonant elements of the frequency bands L1, L2 (FRG patent No. DE 3814382 A1, publ. 9.11.89). The base of the antenna is the outer lining of the matching device, made on symmetrical strip lines and feeding a pair of pins, one of which is connected to the lower resonant element, and the second is passed through the hole in the center of the first resonant element and is connected to the upper resonant element at some distance from its center. A dual-frequency microstrip antenna is fed through a matching device from a common coaxial cable.
Известна также многодиапазонная микрополосковая антенна этажерочного типа, состоящая из первого антенного элемента, второго антенного элемента, третьего антенного элемента и четвертого антенного элемента, каждый из которых включает печатный проводник и диэлектрическую подложку, разделительной платы, включающей две изолированные друг от друга печатные проводящие площадки и диэлектрическую подложку, высокочастотного коаксиального кабеля, передающей линии, первого штыря, второго штыря, проводящего экрана, первого высокочастотного соединителя и второго высокочастотного соединителя, причем каждый антенный элемент имеет отверстие в центре для прохождения коаксиального кабеля и отверстие на расстоянии от центра для прохождения соответственно первого и второго штырей, каждый печатный проводник антенного элемента имеет «окно», большего по сравнению с диаметром штыря размера для бесконтактного прохождения сквозь него штыря, при этом указанные «окна» в печатных проводниках первого и третьего антенных элементов выполнены круглой формы, а «окна» в печатных проводниках второго и четвертого антенных элементов выполнены грушевидной формы с ориентацией узкой части к краю печатного проводника, разделительная плата имеет отверстие в центре для прохождения коаксиального кабеля и одно отверстие вне центра для прохождения второго штыря, все четыре антенных элемента и разделительная плата скреплены между собой, а печатные проводники антенных элементов электрически соединены в центре с внешним проводником высочастотного коаксиального кабеля, соединенным электрически с проводящим экраном через первый высокочастотный соединитель, при этом внутренний проводник высокочастотного коаксиального кабеля одним концом электрически соединен с первым высокочастотным соединителем, а другим концом электрически соединен с одним концом передающей линии, второй конец передающей линии электрически соединен с первым штырем, который пропущен через отверстия в первой и второй диэлектрических подложках и в их печатных проводниках без электрического контакта с ними и электрически соединен с первой печатной проводящей площадкой на разделительной плате, а второй штырь одним концом электрически соединен с центральным проводником второго высокочастотного соединителя, пропущен через отверстия в диэлектрических подложках третьего и четвертого антенных элементов, в разделительной плате и в печатных проводниках без электрического контакта с ними и электрически соединен со второй печатной площадкой на разделительной плате, причем первый и второй высокочастотные соединители установлены на проводящем экране и служат для подключения к ним подводящих фидеров передающих или приемных устройств (патент RU №2315398 C1, опубл. 20.01.2008).Also known is a multiband shelf-type microstrip antenna consisting of a first antenna element, a second antenna element, a third antenna element and a fourth antenna element, each of which includes a printed conductor and a dielectric substrate, a separation board including two printed conductive pads and a dielectric substrate, high-frequency coaxial cable, transmission line, first pin, second pin, conductive screen, first high-frequency co a single coupler and a second high-frequency connector, each antenna element having a hole in the center for passing the coaxial cable and an opening at a distance from the center for passing the first and second pins, respectively, each printed conductor of the antenna element has a “window” larger than the diameter of the size pin for contactless passage of a pin through it, while the indicated “windows” in the printed conductors of the first and third antenna elements are round, and the “windows” in the printed conductors The second and fourth antenna elements are pear-shaped with the narrow part oriented to the edge of the printed conductor, the separation board has a hole in the center for passing the coaxial cable and one hole outside the center for passing the second pin, all four antenna elements and the separation board are fastened together, and printed the conductors of the antenna elements are electrically connected in the center to the external conductor of the high-frequency coaxial cable, electrically connected to the conductive screen through the first high frequency connector, while the inner conductor of the high-frequency coaxial cable is electrically connected at one end to the first high-frequency connector, and at the other end is electrically connected to one end of the transmission line, the second end of the transmission line is electrically connected to the first pin, which is passed through holes in the first and second dielectric substrates and in their printed conductors without electrical contact with them and electrically connected to the first printed conductive pad on the separation board, and the second pin is electrically connected at one end to the central conductor of the second high-frequency connector, passed through holes in the dielectric substrates of the third and fourth antenna elements, in the separation board and in printed conductors without electrical contact with them, and is electrically connected to the second printed circuit on the separation board, the first and the second high-frequency connectors are installed on the conductive screen and are used to connect input feeders of transmitting or receiving devices to them (patent RU No. 2315398 C1, publ. 01/20/2008).
Основным недостатком МПА этажерочного типа является большое взаимное влияние элементов антенны, обеспечивающих ее работу в различных частотных диапазонах, и, как следствие, искажение формы диаграммы направленности (ДН) в каждом из рабочих частотных диапазонов. Вторым недостатком МПА этажерочного типа является многоэтажность конструктивного исполнения.The main disadvantage of the MPA of the bookcase type is the great mutual influence of the antenna elements that ensure its operation in different frequency ranges, and, as a result, the distortion of the shape of the radiation pattern in each of the working frequency ranges. The second disadvantage of the MPA shelf type is the multi-storey construction design.
Менее используемыми, но наиболее компактными устройствами многочастотных микрополосковых антенн (МПА) являются устройства, в которых антенные элементы на различные частотные диапазоны размещаются в одной плоскости, как вариант - на одной подложке.Less used, but the most compact devices of multi-frequency microstrip antennas (MPA) are devices in which antenna elements on different frequency ranges are placed in one plane, as an option - on the same substrate.
Известна двухчастотная антенна, образованная композитной кольцевой право/левовинтовой передающей линией, отдельные ячейки которой соединены проводниками в центре и заземлены. Как и для обычной кольцевой антенны, резонансное излучение возможно на частотах, на которых поддерживается кратное целой длине волны распределение поля в кольцевом резонаторе (lк=nλg, где n=1, 2, 3… - номер моды, λg - длина волны в композитной линии). При этом двухчастотность на каждой моде достигается за счет расщепления дисперсионной кривой левовинтовой передающей линии (метаматериала) вследствие ее дуальной природы. Нижняя рабочая частота соответствует λ-моде в левовинтовой области (обратная волна, n=-1), а верхняя рабочая частота соответствует λ-моде в правовинтовой области (прямая волна, n=+1) композитной передающей линии. На обеих частотах достигается идентичное распределение поля вдоль кольцевого антенного элемента, а следовательно, и идентичные характеристики антенны. При этом антенна имеет малые поперечные размеры за счет применения метаматериала (Antennas and Propagation Society International Symposium. July 2005, pp.684-687).A known two-frequency antenna formed by a composite ring right / left-handed transmission line, the individual cells of which are connected by conductors in the center and are grounded. As for a conventional ring antenna, resonant radiation is possible at frequencies that support a multiple integer wavelength field distribution in the ring resonator (l k = nλ g , where n = 1, 2, 3 ... is the mode number, λ g is the wavelength in the composite line). In this case, the two-frequency frequency at each mode is achieved by splitting the dispersion curve of the left-hand transmission line (metamaterial) due to its dual nature. The lower working frequency corresponds to the λ-mode in the left-handed region (backward wave, n = -1), and the upper working frequency corresponds to the λ-mode in the right-handed region (forward wave, n = + 1) of the composite transmission line. At both frequencies, an identical field distribution is achieved along the annular antenna element, and therefore identical antenna characteristics. Moreover, the antenna has small transverse dimensions due to the use of metamaterial (Antennas and Propagation Society International Symposium. July 2005, pp.684-687).
Недостатком этого изобретения является то, что в такой антенне сложно реализовать произвольное соотношение рабочих частот.The disadvantage of this invention is that it is difficult to implement an arbitrary ratio of operating frequencies in such an antenna.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является многочастотная микрополосковая антенна, в которой может быть реализовано большое количество частот и сами частоты могут устанавливаться произвольно. Многочастотная МПА содержит в качестве антенных элементов кольцевые антенные элементы с внешними формами, симметричными относительно центра МПА, а также планарный антенный элемент, сформированный во внутреннем кольцевом антенном элементе и имеющий внешние формы, также симметричные относительно центра МПА. МПА также содержит средство питания антенных элементов: Г-образный штырь связи для питания кольцевых антенных элементов и центрального антенного элемента за счет электромагнитной связи горизонтальной части штыря сложной формы с вышеперечисленными антенными элементами (выложенная международная заявка WO 2007060782 от 31.05.2007 г.).The closest in technical essence to the proposed device is a multi-frequency microstrip antenna, in which a large number of frequencies can be implemented and the frequencies themselves can be set arbitrarily. The multi-frequency MPA contains, as antenna elements, ring antenna elements with external shapes symmetrical to the center of the MPA, as well as a planar antenna element formed in the internal ring antenna element and having external shapes also symmetrical to the center of the MPA. The IPA also contains a power supply for the antenna elements: a L-shaped communication pin for powering the annular antenna elements and the central antenna element due to electromagnetic coupling of the horizontal part of the complex shape pin with the above-mentioned antenna elements (international patent application WO 2007060782 dated 05/31/2007).
Недостатком данного изобретения является то, что в заявленной МПА антенные элементы и зонд (горизонтальная его часть) расположены в разных плоскостях. Как следствие, подложка МПА должна состоять из двух частей: на одной (верхней) части формируются антенные элементы, а на второй (нижней) - горизонтальная часть штыря зонда, соединенная перемычкой с выходным разъемом МПА.The disadvantage of this invention is that in the claimed MPA antenna elements and the probe (its horizontal part) are located in different planes. As a result, the MPA substrate should consist of two parts: antenna elements are formed on one (upper) part, and on the second (lower) horizontal part of the probe pin connected by a jumper to the MPA output connector.
Техническим результатом изобретения является достижение большей компактности и технологичности изготовления многодиапазонной МПА за счет конструктивного объединения антенных элементов с использованием метаматериала и элементов устройства возбуждения, а именно выполнения их в одной плоскости, а также миниатюризация многодиапазонной МПА.The technical result of the invention is to achieve greater compactness and manufacturability of the manufacture of multi-band MPA by constructively combining antenna elements using metamaterial and elements of the excitation device, namely, performing them in one plane, as well as miniaturization of the multi-band MPA.
Это достигается тем, что многодиапазонная антенна круговой поляризации с метаматериалом, содержащая кольцевые антенные элементы с внешними формами, симметричными относительно центра, планарный антенный элемент, сформированный во внутреннем кольцевом антенном элементе, кольцевые антенные элементы выполнены из метаматериала в форме планарных проводящих дорожек с зазорами между смежными дорожками 0,1-0,5 мм, многодиапазонная антенна дополнительно содержит средства питания для обеспечения приема-излучения поля круговой поляризации, включающие направленный ответвитель, два штыря, соединяющие оба выхода направленного ответвителя с планарным антенным элементом в двух точках, расположенных под углом 90° относительно центра антенны, четыре отрезка полосковых линий, соединенные с планарным антенным элементом и каждая с сегментами кольцевых антенных элементов, расположенными вдоль одной оси, при этом планарный антенный элемент снабжен четырьмя щелями, расположенными от края к центру, причем четыре отрезка полосковых линий расположены возле краев четырех щелей симметричным образом, элементы и четыре отрезка полосковых линий выполнены на общей диэлектрической подложке, а основание антенны выполнено на внешней обкладке направленного ответвителя, выполненного на основе связанных полосковых линий.This is achieved by the fact that a multi-band circular polarization antenna with a metamaterial containing ring antenna elements with external shapes symmetrical with respect to the center, a planar antenna element formed in the inner ring antenna element, ring antenna elements made of metamaterial in the form of planar conducting tracks with gaps between adjacent paths of 0.1-0.5 mm, the multi-band antenna further comprises power means for providing reception-radiation of the circular polarization field, incl. sensing the directional coupler, two pins connecting both outputs of the directional coupler with a planar antenna element at two points located at an angle of 90 ° relative to the center of the antenna, four pieces of strip lines connected to a planar antenna element and each with segments of ring antenna elements located along one axis, while the planar antenna element is equipped with four slots located from the edge to the center, and four segments of strip lines are located near the edges of the four slots are symmetrical manner, elements and four segments of strip lines formed on a common dielectric substrate and the antenna base is made on the outer plate of a directional coupler formed on the basis of coupled strip lines.
Как вариант планарный антенный элемент заземлен в его центре с помощью перемычки.Alternatively, the planar antenna element is grounded in its center with a jumper.
В другом варианте к разомкнутым концами смежных сегментов разрезных кольцевых антенных элементов присоединены с электрическим контактом сосредоточенные емкости величной от 0,1 до 1 пФ.In another embodiment, lumped capacitances of magnitude 0.1 to 1 pF are connected to the open ends of adjacent segments of the split annular antenna elements.
Многодиапазонная микрополосковая антенна плоскостного типа изображена на Фиг.1, 2 и состоит из первого планарного антенного элемента 1 и разрезных кольцевых планарных антенных элементов 2, 3,…N с внешними формами, симметричными относительно центра МПА, четырех отрезков полосковых проводников N+1, двух штырей N+2, направленного ответвителя N+3, высокочастотного соединителя N+4 и экрана N+5.The multi-band microstrip antenna of the planar type is shown in Figs. 1, 2 and consists of the first
Первый планарный антенный элемент 1 выполнен в центре МПА, внутри кольцевых антенных элементов 2, 3,…N, и имеет симметричную форму. В топологии первого антенного элемента имеются четыре щели, отходящие от его краев к центру и расположенные с пространственным интервалом в 90° относительно центра МПА (для обеспечения согласования и подстройки первого антенного элемента). Разрезные кольцевые планарные элементы 2, 3,…N соединены электрически с планарным элементом 1 с помощью четырех отрезков полосковых проводников N+1, которые расположены по одинаковым (правым или левым) сторонам четырех щелей.The first
Все антенные элементы выполнены на общей диэлектрической подложке. Основанием микрополосковой антенны служит внешняя обкладка направленного ответвителя (НО) N+3, выполненного на связанных полосковых линиях и питающего пару штырей N+2, проходящих через отверстия в основании и пластине диэлектрика и подключенных к центральному антенному элементу в точках, расположенных под углом 90 относительно центра МПА (для обеспечения излучения поля круговой поляризации) симметрично относительно центральной линии одной из щелей (произвольной). Запитывается многочастотная микрополосковая антенна от общего коаксиального кабеля, который подсоединяется к высокочастотному соединителю N+4, установленному в проводящем (земляном) экране N+5.All antenna elements are made on a common dielectric substrate. The base of the microstrip antenna is the outer lining of the N + 3 directional coupler (HO), made on connected strip lines and supplying a pair of N + 2 pins passing through holes in the base and dielectric plate and connected to the central antenna element at points located at an angle of 90 relative to center MPA (to ensure radiation of the field of circular polarization) symmetrically with respect to the center line of one of the slots (arbitrary). A multi-frequency microstrip antenna is fed from a common coaxial cable, which is connected to a high-frequency connector N + 4 installed in a conductive (earth) shield N + 5.
Проводящий экран N+5 имеет электрическое соединение с основанием антенны и служит для создания преимущественно однонаправленного излучения (приема) многодиапазонной микрополосковой антенны.The N + 5 conductive shield is electrically connected to the base of the antenna and serves to create predominantly unidirectional radiation (reception) of a multi-band microstrip antenna.
Принцип работы микрополосковой антенны хорошо известен и состоит в том, что при подаче высокочастотного сигнала на вход антенны в ней возбуждаются высокочастотные колебания определенного типа, а излучение осуществляется за счет поля, «выступающего» из кромок антенны, а именно из зазоров между печатным проводником антенного элемента и экранной плоскостью.The principle of operation of a microstrip antenna is well known and consists in the fact that when a high-frequency signal is fed to the antenna input, high-frequency oscillations of a certain type are excited in it, and the radiation is due to the field "protruding" from the edges of the antenna, namely from the gaps between the printed conductor of the antenna element and screen plane.
В каждом антенном элементе возможно возбуждение множества типов колебаний (мод), но только самая низшая из них формирует осевую ДН, высшие типы колебаний дают тороидальные ДН с провалом в осевом направлении. Низшими типами колебаний для простейших видов излучающих печатных проводников являются: мода ТМ10 для прямоугольного, мода ТМ11 для круглого и кольцевого излучателя. Для согласования антенного элемента с питающим штырем точку его подключения (точку питания) необходимо совместить с точкой, в которой входное сопротивление равно 50 Ом на центральной частоте диапазона. В рабочем диапазоне частот входное сопротивление становится комплексным, а диапазон согласования по заданному значению КСВн тем шире, чем толще диэлектрическая подложка антенного элемента.In each antenna element, it is possible to excite many types of oscillations (modes), but only the lowest of them forms the axial pattern, the higher types of oscillations produce toroidal patterns with a dip in the axial direction. The lowest types of vibrations for the simplest types of radiating printed conductors are: TM10 mode for a rectangular, TM11 mode for a round and ring emitter. To match the antenna element with the supply pin, the connection point (power point) must be combined with the point at which the input impedance is 50 Ohms at the center frequency of the range. In the operating frequency range, the input impedance becomes complex, and the matching range for a given value of the VSWR is wider, the thicker the dielectric substrate of the antenna element.
В заявляемой антенне все кольцевые антенные элементы выполнены по типу композитной кольцевой левовинтовой (векторы E, H, k образуют левую тройку векторов) передающей линии, образованной емкостями C1 разрезов и индуктивностями L1 отрезков полосковых проводников. Все это вместе с сегментами кольцевых антенных элементов образует метаматериал, который может быть представлен в виде эквивалентной CL-цепочки [см. фиг.3 с эквивалентной схемой двухдиапазонной (для простоты) печатной антенны с внешним метаматериалоподобным кольцом]. Через центральный антенный элемент 1 индуктивности L1 зашунтированы на основание антенны посредством большой емкости, образованной печатным проводником планарного антенного элемента 1 и основанием (внешней обкладкой НО). В случае, если вышеуказанная емкость оказывается недостаточной для осуществления шунтирования индуктивности L1, то в центре первого планарного антенного элемента 1 выполняется перемычка N+6, электрически соединяющая печатный проводник антенного элемента 1 с основанием антенны (см. фиг.4). Такая перемычка не влияет на работу центрального антенного элемента при его возбуждении в основной моде, т.к. в этом случае центральная точка вышеупомянутого антенного элемента является точкой нулевого потенциала.In the claimed antenna, all the ring antenna elements are made of the type of a composite ring left-handed screw (vectors E, H, k form the left three vectors) of the transmission line formed by the capacitances C 1 of the cuts and the inductances L 1 of the pieces of strip conductors. All this, together with segments of ring antenna elements, forms a metamaterial that can be represented as an equivalent CL chain [see 3 with an equivalent circuit of a dual-band (for simplicity) printed antenna with an external metamaterial-like ring]. Through the
Разрезы в кольцевых антенных элементах могут иметь произвольную форму: прямую, зигзагообразную, меандровую и т.п. От формы разрезов зависит величина емкости С1, которая, в свою очередь, задает соотношение рабочих частот антенны. Если величина емкости оказывается недостаточной для обеспечения требуемого соотношения рабочих частот, то, как вариант, емкости могут быть выполнены в виде сосредоточенных элементов, присоединенных электрически (припаянных) к разомкнутым концам отрезков полосковых проводников с чип-емкостями (см. поз.4, фиг.5).The cuts in the ring antenna elements can have any shape: straight, zigzag, meander, etc. The size of the capacitance C 1 depends on the shape of the cuts, which, in turn, sets the ratio of the operating frequencies of the antenna. If the capacitance value is insufficient to provide the required operating frequency ratio, then, as an option, the capacitances can be made in the form of lumped elements connected electrically (soldered) to the open ends of the segments of strip conductors with chip capacities (see pos. 4, Fig. 5).
Размеры антенных элементов 1, 2,…N увеличиваются по мере роста номера элемента. Следовательно, резонансные частоты антенных элементов убывают по мере возрастания номера антенного элемента. Запитка всех антенных элементов осуществляется от одного направленного ответвителя в двух точках со сдвигом фаз 90° во всех рабочих частотных диапазонах, что обеспечивает излучение (прием) поля круговой поляризации. С этой целью направленный ответвитель выполняется на связанных полосковых линиях, что обеспечивает его широкополосность. Две точки запитки заявляемой МПА расположены на первом антенном элементе симметрично относительно одной из щелей и соединены с выходом НО N+3 с помощью двух штырей N+2. Радиальное расстояние, на котором подключены штыри к центральному антенному элементу, должно быть выбрано из условия импедансного согласования МПА с штырями (выходами НО) в центральном диапазоне работы антенны.The sizes of the
В первом антенном элементе выполняются четыре щели для обеспечения симметрии при работе в режиме излучения или приема поля круговой поляризации. Щели, кроме функции согласования микрополосковой антенны с запитывающими штырями и подстройки рабочей частоты центрального антенного элемента, также уменьшают размеры первого антенного элемента относительно размеров антенного элемента без щелей при работе на той же частоте, что способствует уменьшению влияния центрального элемента на характеристики направленности разрезных кольцевых антенных элементов. Дополнительная подстройка согласования в верхних частотных диапазонах достигается за счет изменения ширины полосковых проводников N+l.Four slots are provided in the first antenna element to ensure symmetry when operating in the radiation mode or receiving a circular polarization field. Slots, in addition to the function of matching a microstrip antenna with power pins and adjusting the operating frequency of the central antenna element, also reduce the size of the first antenna element relative to the dimensions of the antenna element without slits when operating at the same frequency, which helps to reduce the influence of the central element on the directivity characteristics of split ring antenna elements . An additional adjustment of the matching in the upper frequency ranges is achieved by changing the width of the strip conductors N + l.
Применение метаматериала в конструкции многодиапазонной антенны позволяет уменьшить габариты антенны, обеспечить синфазность токов во всех антенных элементах и достичь необходимой для работы НО развязки выходов антенны (не менее 15 дБ) во всех рабочих диапазонах частот, что недостижимо другими способами.The use of metamaterial in the construction of a multi-band antenna allows to reduce the dimensions of the antenna, to ensure that the currents are in phase in all antenna elements and to achieve the necessary isolation of the antenna outputs (at least 15 dB) for all operating frequency ranges, which is unattainable in other ways.
Двухдиапазонная антенна для навигационной системы ГЛОНАСС приведена на фиг.6а (вид сверху) и фиг.6б (вид сбоку). Конструкция антенны включает: 5 - антенный элемент с метаматериалом, 6 - экран, 7 - обтекатель антенны, 8 - направленный ответвитель, 9 - коаксиальный разъем, 10 - коаксиальный кабель. В антенном элементе применены емкости номиналом 0,2 пФ.The dual-band antenna for the GLONASS navigation system is shown in FIG. 6a (top view) and FIG. 6b (side view). The antenna design includes: 5 - antenna element with metamaterial, 6 - screen, 7 - radome antenna, 8 - directional coupler, 9 - coaxial connector, 10 - coaxial cable. Capacities with a nominal value of 0.2 pF are used in the antenna element.
КСВ выходов антенного элемента приведены на фиг.7а (расчетные значения, полученные в пакете программ CST Microwave Studio) и фиг.7б (экспериментальные значения).The SWR of the antenna element outputs is shown in Fig. 7a (calculated values obtained in the CST Microwave Studio software package) and Fig. 7b (experimental values).
КСВ выхода направленного ответвителя приведены на фиг.8 (экспериментальные значения).The SWR of the directional coupler output is shown in Fig. 8 (experimental values).
Диаграммы направленности для частоты 1247 МГц приведены на фиг.9а (расчетные значения) и фиг.9б (экспериментальные значения).The radiation patterns for a frequency of 1247 MHz are shown in Fig. 9a (calculated values) and Fig. 9b (experimental values).
Диаграммы направленности для частоты 1600 МГц приведены на фиг.10а (расчетные значения) и фиг.10б (экспериментальные значения).The radiation patterns for a frequency of 1600 MHz are shown in Fig. 10a (calculated values) and Fig. 10b (experimental values).
Азимутальные зависимости поля излучения для частоты 1247 МГц приведены на фиг.11а (расчетные значения) и фиг.11б (экспериментальные значения).The azimuthal dependences of the radiation field for a frequency of 1247 MHz are shown in Fig. 11a (calculated values) and Fig. 11b (experimental values).
Азимутальные зависимости поля излучения для частоты 1600 МГц приведены на фиг.12а (расчетные значения) и фиг.12б (экспериментальные значения).The azimuthal dependences of the radiation field for a frequency of 1600 MHz are shown in FIG. 12a (calculated values) and FIG. 12b (experimental values).
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011136335/07A RU2480870C1 (en) | 2011-08-31 | 2011-08-31 | Multirange antenna of circular polarisation with metamaterial |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011136335/07A RU2480870C1 (en) | 2011-08-31 | 2011-08-31 | Multirange antenna of circular polarisation with metamaterial |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2011136335A RU2011136335A (en) | 2013-03-10 |
| RU2480870C1 true RU2480870C1 (en) | 2013-04-27 |
Family
ID=49123128
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011136335/07A RU2480870C1 (en) | 2011-08-31 | 2011-08-31 | Multirange antenna of circular polarisation with metamaterial |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2480870C1 (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103367890A (en) * | 2013-05-08 | 2013-10-23 | 西安电子科技大学 | Dual-frequency microstrip directional-diagram reconfigurable antenna |
| RU2554567C2 (en) * | 2013-10-04 | 2015-06-27 | Открытое акционерное общество "Корпорация "Фазотрон-Научно-исследовательский институт радиостроения" | Printed disc antenna having e-shaped slit |
| RU2659854C1 (en) * | 2017-04-05 | 2018-07-04 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Мурманский государственный технический университет" (ФГБОУ ВО "МГТУ") | Stackable circular polarization antenna |
| RU198462U1 (en) * | 2020-05-21 | 2020-07-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Вологодский государственный университет" | Resonator antenna |
| WO2022231454A1 (en) * | 2021-04-28 | 2022-11-03 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Дженерал Майкровейв" | Multiband single-layer antenna for multi-channel communication and navigation systems |
| RU2824323C1 (en) * | 2023-09-11 | 2024-08-07 | Александр Сергеевич Кухаренко | Multiband microstrip antenna element with inductive spatial separation of radiators and common feed point |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105071036B (en) * | 2015-07-16 | 2018-08-14 | 武汉市灵动时代智能技术有限公司 | X-band intelligence Meta Materials wide-angle wave transparent antenna house |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4218682A (en) * | 1979-06-22 | 1980-08-19 | Nasa | Multiple band circularly polarized microstrip antenna |
| SU1264257A1 (en) * | 1973-12-11 | 1986-10-15 | Предприятие П/Я А-3644 | Slot annular aerial |
| US4827271A (en) * | 1986-11-24 | 1989-05-02 | Mcdonnell Douglas Corporation | Dual frequency microstrip patch antenna with improved feed and increased bandwidth |
| WO2007060782A1 (en) * | 2005-11-24 | 2007-05-31 | National University Corporation Saitama University | Multifrequency microstrip antenna |
| RU2315398C1 (en) * | 2006-06-23 | 2008-01-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие научно-исследовательский институт космического приборостроения | Stacked multiband and microstrip antenna |
| RU73129U1 (en) * | 2007-12-27 | 2008-05-10 | Эрнест Юрьевич Седышев | PLANAR ANTENNA SYSTEM |
-
2011
- 2011-08-31 RU RU2011136335/07A patent/RU2480870C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1264257A1 (en) * | 1973-12-11 | 1986-10-15 | Предприятие П/Я А-3644 | Slot annular aerial |
| US4218682A (en) * | 1979-06-22 | 1980-08-19 | Nasa | Multiple band circularly polarized microstrip antenna |
| US4827271A (en) * | 1986-11-24 | 1989-05-02 | Mcdonnell Douglas Corporation | Dual frequency microstrip patch antenna with improved feed and increased bandwidth |
| WO2007060782A1 (en) * | 2005-11-24 | 2007-05-31 | National University Corporation Saitama University | Multifrequency microstrip antenna |
| RU2315398C1 (en) * | 2006-06-23 | 2008-01-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие научно-исследовательский институт космического приборостроения | Stacked multiband and microstrip antenna |
| RU73129U1 (en) * | 2007-12-27 | 2008-05-10 | Эрнест Юрьевич Седышев | PLANAR ANTENNA SYSTEM |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103367890A (en) * | 2013-05-08 | 2013-10-23 | 西安电子科技大学 | Dual-frequency microstrip directional-diagram reconfigurable antenna |
| CN103367890B (en) * | 2013-05-08 | 2015-04-08 | 西安电子科技大学 | Dual-frequency microstrip directional-diagram reconfigurable antenna |
| RU2554567C2 (en) * | 2013-10-04 | 2015-06-27 | Открытое акционерное общество "Корпорация "Фазотрон-Научно-исследовательский институт радиостроения" | Printed disc antenna having e-shaped slit |
| RU2659854C1 (en) * | 2017-04-05 | 2018-07-04 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Мурманский государственный технический университет" (ФГБОУ ВО "МГТУ") | Stackable circular polarization antenna |
| RU198462U1 (en) * | 2020-05-21 | 2020-07-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Вологодский государственный университет" | Resonator antenna |
| WO2022231454A1 (en) * | 2021-04-28 | 2022-11-03 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Дженерал Майкровейв" | Multiband single-layer antenna for multi-channel communication and navigation systems |
| RU2824323C1 (en) * | 2023-09-11 | 2024-08-07 | Александр Сергеевич Кухаренко | Multiband microstrip antenna element with inductive spatial separation of radiators and common feed point |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2011136335A (en) | 2013-03-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10854994B2 (en) | Broadband phased array antenna system with hybrid radiating elements | |
| US10826183B2 (en) | Circularly polarized antennas | |
| US9716312B2 (en) | Multiple-input multiple-output ultra-wideband antennas | |
| US10381732B2 (en) | Antennas with improved reception of satellite signals | |
| Hussain et al. | Closely packed millimeter-wave MIMO antenna arrays with dielectric resonator elements | |
| US6734828B2 (en) | Dual band planar high-frequency antenna | |
| US8497808B2 (en) | Ultra-wideband miniaturized omnidirectional antennas via multi-mode three-dimensional (3-D) traveling-wave (TW) | |
| US11996639B2 (en) | Dual-polarized planar ultra-wideband antenna | |
| US12021310B2 (en) | Dual-band dual-polarized antenna radiation device | |
| US11799207B2 (en) | Antennas for reception of satellite signals | |
| CN110085986A (en) | It is a kind of can the big frequency of beam scanning compare dual-band antenna | |
| US11196175B2 (en) | Antenna device | |
| RU2480870C1 (en) | Multirange antenna of circular polarisation with metamaterial | |
| JP5420654B2 (en) | Wideband long slot array antenna using simple feed element without balun | |
| CN107636892A (en) | antenna | |
| JP5042698B2 (en) | Multi-frequency shared transceiver | |
| RU2315398C1 (en) | Stacked multiband and microstrip antenna | |
| RU116698U1 (en) | MICRO-STRIP RECEPTION ACTIVE ANTENNA OF CIRCLE POLARIZATION | |
| TWI600209B (en) | Antenna reset circuit | |
| Letavin et al. | Simulation of 3600–3800 MHz frequency band antenna for fifth generation mobile communication | |
| Pal et al. | A low-profile switched-beam dual-band capacitively coupled square loop antenna | |
| GB2438245A (en) | Loop-like antenna element and array | |
| Hong et al. | Duplexing Antenna Design Using Substrate Integrated Waveguide Cavity with Bi-Direction Radiation Pattern | |
| CN120958657A (en) | Radiation element with a stealthy feed handle and/or a stealthy feed cable | |
| CA2827422A1 (en) | Radiofrequency radiationg device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PD4A | Correction of name of patent owner |