В микрополосковом исполнении

За последние два десятилетия с момента появления первых публикаций, связанных с микрополосковыми антеннами (МПА) [26,27], они приобрели широкую популярность благодаря целому ряду преимуществ, вытекающих из особенностей их конструкции.

Типовая конструкция МПА имеет вид (рис.90) тонкой (порядка десятков микрон) плоской про­водящей пластины (ПП)различной формы, размещенной на диэлектрическом слое – подложке (П) тол­щиной h = (0,003... 0,08) λ₀, который ограничен снизу проводящей экранной плоскостью (ЭП) бóльших, чем у пластины размеров. Здесь λ₀ – длина волны в свободном пространстве.

 

 

Рис.90. Конструкция МПА

 

В качестве подложки, в основном, используются материалы с относительной диэлектрической проницае­мостью ε = 2... 10, но в зависимости от приложений возможен и более широкий спектр значений ε. Ос­новное требование к материалу подложки – малые потери, характеризуемые тангенсом угла потерь tg δ.

Подложки из сотового материала с δ =1,05 или МПА с воздушным зазором имеют наименьшие по­тери и обеспечивают наибольшую эффективность излучения антенны [28]. Подложки с большими значения­ми δ позволяют создать антенну меньших габаритных размеров с более широкой диаграммой направ­ленности (ДН). Успешно реализованы, например, МПА с подложками из арсенида галлия с δ = 12,8, LаАlO₃ с δ =24,0 и ряда других материалов с ε = 20...25, совместно используемых с высокотемператур­ными сверхпроводящими пленками.

Пластины МПА чаще всего имеют прямоугольную или круглую форму, однако принципиально возможна произвольная форма с известной резонансной частотой. Выбором формы пластины можно как существенно улучшить согласование МПА с фидерной линией, так и реализовать круговую поляриза­цию излучения антенны.

Возбуждение МПА осуществляется как прямым гальваническим контактом с микрополосковой ли­нией (рис. 91, а)или коаксиальным кабелем (рис. 91, б),так и неконтактным методом – электромагнитной связью через отверстие в экранной плоскости (рис. 91, в).

 

 

Рис.91.МПА с различными способами возбуждения.

1-пластина, 2-подложка, 3-микрополосковая линия, 4-коаксиальный кабель, 5-апертура связи, 6-экранная плоскость

 

При использовании неконтактного возбуждения разработчик МПА может проявить большую гиб­кость и свободу выбора на стадии отработки размеров антенны и определения взаимного положения ее отдельных элементов.

Преимущества МПА объясняются простой реализацией имеющимися способами печатной тех­нологии приведенных конструкций, благодаря чему довольно легко обеспечиваются весь­ма важные при массовом производстве повторяемость размеров и низкая стоимость.

Применение инте­гральной технологии позволяет также значительно – на порядок и более – снизить массо-габаритные ха­рактеристики антенно-фидерных устройств (АФУ) и изготавливать их в одном технологическом цикле вместе с другими пассивными и активными компонентами в виде законченных модулей или функцио­нальных узлов, что соответствует современной тенденции развития микроэлектроники и потребностям промышленности в микроминиатюризации радиоэлектронной аппаратуры (РЭА).

Отмеченные достоинства МПА особенно важны для космических и бортовых радиотехнических ком­плексов, требования к техническим и конструктивным параметрам которых являются весьма жесткими и противоречивыми. Малые вес и габаритные размеры актуальны также и для портативной аппаратуры.

Микрополосковые антенны при возбуждении подходящего распределения тока на пластине соот­ветствующей формы позволяют реализовать достаточно широкий класс ДН для произвольного типа по­ляризации излучения.

Конструкции МПА характеризуются также высокой механической прочностью и стабильностью характеристик.

Основными недостаткам МПА являются: узкополосность, низкая эффективность, побочное излучение ее элементов. Перечисленные недостатки – это «плата» за преимущества, в особенности за низкопрофильность.

Совокупность перечисленных достоинств МПА вместе с легкостью размещения их на поверхностях различных платформ – носителей антенн – объясняет причину широкого интереса к ан­теннам этого класса.

Строгий математический и физический анализ характеристик излучения МПА затруднен по причине неоднородности их структуры, поэтому при первых исследованиях в этой области рассматривали весьма упрощенные модели расчета:

1) модель длинных линий (МДЛ), согласно которой антенна представляется двумя излучающими щелями (между краем пластины и экранной плоскостью), связанными между собой передающей линией [29]. Эта модель наиболее удобна для анализа характеристик МПА с пластинами прямоугольной формы;

2) резонаторная модель, согласно которой МПА представляется заполненной диэлектриком (мате­риалом подложки) резонансной полостью, у которой две стенки (пластина и экранная плоскость) элек­трические, а боковая поверхность – магнитная стенка [29]. Модель применяется для анализа характери­стик МПА с пластинами простейших геометрических форм, а для более сложных форм пластин должна дополняться методом сегментации.

Достоверные результаты для обеих моделей получаются только для тонких подложек (h < 0,1 λ, где λ – длина волны). Однако этот случай не всегда приемлем для практики, поскольку экранная плос­кость действует подобно зеркалу, и потому МПА эквивалентна двум близко расположенным пластинам, токи на которых противоположны по знаку, а поля излучения взаимно компенсируются на большом рас­стоянии от МПА. Вследствие этого антенны с тонкими подложками имеют низкую эффективность излу­чения и малую полосу рабочих частот.

Отмеченные недостатки МПА с тонкими подложками преодолеваются выбором пластин сложной формы, добавлением пассивных элементов как в одной плоскости с пластиной МПА, так и в разных с ней уровнях, использованием подложек с толщиной h > 0,1 λ.

Во всех перечисленных вариантах упомянутые простейшие модели расчета МПА оказываются ма­лопригодными и должны заменяться более строгими методами анализа антенн, учитывающими, в част­ности, влияние поверхностных волн, вероятность возникновения которых возрастает по мере увеличе­ния толщины подложки [30].

В настоящее время геометрическая форма и структура построения МПА весьма разнообразна. На рис. 92 изображены лишь некоторые их разновидности.

Самой простой в технологическом отношении антенной, имеющей уменьшенный резонансный размер (b) является полосковая антенна Н-образной формы излучающего элемента [31] (рис. 92, а). Форма излучающего элемента позволяет уменьшить резонансный размер на 30%. Однако указанное устройство имеет меньшую, чем классическая антенна с прямоугольным излучающим элементом, полосу рабочих частот.

 

Рис. 92. Основные типы конструкций микрополосковых излучателей

 

На рис. 92, б представлена плоская антенна, нагруженная на управляемые переменным напряжением варикапы [32]. Уменьшение резонансного размера обеспечивается включением точечного активного сопротивления емкостного характера. Чем больше емкость варикапа, тем меньше резонансный размер антенны. При этом полоса рабочих частот не уменьшается. Однако включение точечных реактивностей повышает кроссполяризационное излучение антенны.

Антенна, описанная в [33] (рис. 92, в) также имеет уменьшенный резонансный размер излучающего элемента и, как следствие, расширенную ДН в Е-плоскости. Технология изготовления этой антенны более сложная. Антенна имеет расположенный над экраном объемный излучающий элемент, представляющий собой металлическую оболочку с щелью на внутренней стороне. Запитывается антенна штыревым зондом, проходящим через нижнюю часть металлической оболочки, не имея с ней гальванического контакта, и соединяющимся с верхней частью металлической оболочки. Уменьшение резонансного размера в этой антенне на 20% больше, чем у предыдущей, причем за счет подключения к ней емкостных реактивностей можно еще больше уменьшить резонансный размер и расширить ДН в плоскости Е.

На рис. 92, г изображена хорошо известная микрополосковая антенна, у которой резонансный размер составляет ~0,25λ [34]. Наличие одной излучающей полезный сигнал щели обеспечивает практически изотропное излучение в плоскости Е. Недостатком этой антенны является большее, чем у полуволновых микрополосковых антенн кроссполяризационное излучение, что обусловлено характером электромагнитного поля внутри антенны.

На рис. 92, д представлена четвертьволновая антенна, построенная на базе антенн, описанных в [33]. Достоинством является существенно меньший резонансный размер, чем у предыдущей антенны. Недостатком является, как и у вышерассмотренной антенны, значительное кроссполяризационное излучение.

Антенна, описанная в [35] (рис. 92, е), имеет резонансный размер укороченный в той мере, что и у полуволновой антенны с объединенным излучающим элементом, но более широкую ДН в плоскости Е. Антенна представляет собой две диэлектрические пластины, внутри которых расположена металлическая прямоугольная пластина, обернутые металлической (экранирующей) поверхностью, имеющей на одной из широких граней щель. Возбуждается антенна штыревым зондом, проходящим сквозь одну диэлектрическую пластину и соединяющимся с металлической пластиной. Расширение ДН в плоскости Е обеспечивается шириной щели металлической поверхности (излучающей щели), и практически может быть реализовано квазиизотропное излучение в плоскости Е.

На рис. 92, ж [36] изображена антенна, представляющая металлический прямоугольный короб, на верхней стороне которого имеются две пересекающиеся щели. Внутри короба размещены две диэлектрические пластины, между которыми расположена прямоугольная пластина. Возбуждается антенна стержневым зондом, подводимым к прямоугольной металлической пластине. Антенна имеет два резонансных размера b ₁ и b ₂. Конструкция этой антенны также позволяет уменьшить резонансный размер, но вследствие того, что все боковые стороны антенны заэкранированы, резонансный размер уменьшается в меньшей степени. Достоинством рассматриваемой антенны является возможность излучения электромагнитного поля на двух резонансных частотах с ортогональными поляризациями. За счет излучения электромагнитного поля через щели ДН в плоскости Е – квазиизотропна. При определенном выборе геометрических параметров антенны можно получить электромагнитное поле с круговой поляризацией.

Антенна, описанная в [37], имеет все преимущества предыдущей антенны, но кроме всех прочих достоинств позволяет осуществить излучение электромагнитного поля на четырех резонансных частотах с двумя попарно ортогональными поляризациями. Это обеспечивается благодаря выполнения внутренней металлической пластины в форме креста. При определенном выборе геометрических параметров антенны можно получить излучение электромагнитного поля с круговой поляризацией на двух резонансных частотах. Разнос частот определяется размерами длины и ширины лучей крестообразной металлической пластины.

На базе антенны, изображенной на рис. 92, е, была сконструирована четвертьволновая антенна [38] (рис. 92, з). Антенна представляет собой две диэлектрические пластины, внутри которых расположена металлическая прямоугольная пластина, обернутые металлической (экранирующей) поверхностью, имеющей щель на одной из боковых граней диэлектрической пластины, причем металлическая пластина в плоскости щели соединяется с экранирующей поверхностью. Возбуждается антенна щелевым зондом, проходящим сквозь одну диэлектрическую пластину и соединяющимся с металлической пластиной. Рассматриваемая антенна имеет перечисленные преимущества предыдущей четвертьволновой антенны и, кроме того, имеет меньшие кроссполяризационное излучение.

В рассмотренных антеннах уменьшение размеров, определяющих частоту, получено благодаря «лабиринтной» структуре резонатора. На рис. 92, и [39] показана лабиринтная антенна, позволяющая максимально уменьшить резонансный размер. Полость резонатора представляет собой многоярусную структуру. На рисунке изображена пятиярусная структура. Вообще говоря, структура может иметь как большее, так и меньшее количество ярусов. Металлические перегородки, формирующие ярусы лабиринтной структуры, соединены или с экранирующей поверхностью, или с излучающей пластиной. Две стороны излучающей пластины с краями экранирующей поверхности образуют щели, излучающие полезный сигнал, две другие стороны с краями металлических перегородок образуют щели, излучающие кроссполяризационную составляющую электромагнитной волны (вредное излучение). Возбуждается антенна штыревым зондом, соединенным с одной из металлических перегородок в точке, где входное сопротивление антенны соответствует волновому сопротивлению фидерной линии. Степень уменьшения полуволнового резонансного размера определяется количеством ярусов. Следует заметить, что высота ярусов ответственна за КПД антенны, ее диапазонные свойства, поэтому количество ярусов обычно ограничивается заданным предельным вертикальным размером.

Полуволновая антенна с одной излучающей щелью. Основное достоинство антенны с одной излучающей щелью – уменьшение резонансного размера. Другое достоинство – возможность расширения полосы рабочих частот. Таким образом, антенна в полной мере отвечает требованиям, предъявляемым к излучателю рассматриваемой антенной решетки.

На рис. 93 показана рассматриваемая антенна с обозначением всех геометрических параметров. В качестве возбудителя показан штыревой зонд, являющийся продолжением внутреннего проводника коаксиального кабеля. Вообще говоря, антенна может возбуждаться и другим способом, например, полосковой линией или через щель в экране.

Рис. 93. Антенна с одной излучающей щелью

 

Рис. 94. Антенна с двумя пересекающимися щелями

Антенна с двумя пересекающимися щелями. Антенна с одной излучающей щелью может иметь как все боковые стороны в виде диэлектрических пластин, закрытых экранирующей поверхностью, так и две стороны – открытые. Ранее рассматривалась антенна с двумя открытыми боковыми сторонами. Она имеет меньшую электрическую резонансную длину. Однако на основе антенны со всеми закрытыми экранирующей поверхностью боковыми сторонами можно получить антенну, излучающую электромагнитное поле с двойной линейной или круговой поляризацией. Для этой цели перпендикулярно излучающей щели выполняется еще одна излучающая щель. При этом следует либо ввести дополнительный фидер с возбуждающим элементом, либо установить единственный возбуждающий элемент в определенное место, обеспечивающее излучение электромагнитного поля с двумя ортогональными поляризациями. На рис. 94 представлена антенна с двумя пересекающимися излучающими щелями и двумя возбуждающими штыревыми зондами с обозначением геометрических параметров. Металлическая пластина выполняется в форме креста.

Две пересекающиеся излучающие щели и крестообразная форма металлической пластины позволяет обеспечить излучение электромагнитного поля с двумя попарно ортогональными линейными поляризациями в общем случае на разных резонансных частотах: f ₀₁, f ₀₂, f ₀₃, f ₀₄.

Четвертьволновая лабиринтная антенна. Четвертьволновая лабиринтная антенна с обозначением геометрических параметров изображена на рис. 95. В качестве возбудителя используется штырь. Антенна может возбуждаться и с помощью других возбуждающих элементов, например, полосковой линией или щелью в экране. Резонансная частота определяется геометрическими параметрами а, b, d₁, d₂, B. Характер зависимости резонансной частоты от геометрических параметров такой же, как и предыдущих антенн [40].

 

Рис.95. Четвертьволновая лабиринтная антенна