RU2793081C1 - Q-range microband antenna array - Google Patents
Q-range microband antenna array Download PDFInfo
- Publication number
- RU2793081C1 RU2793081C1 RU2022100654A RU2022100654A RU2793081C1 RU 2793081 C1 RU2793081 C1 RU 2793081C1 RU 2022100654 A RU2022100654 A RU 2022100654A RU 2022100654 A RU2022100654 A RU 2022100654A RU 2793081 C1 RU2793081 C1 RU 2793081C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- active
- radiators
- antenna
- divider
- antenna array
- Prior art date
Links
Images
Abstract
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 λB, 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
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 (3)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2793081C1 true RU2793081C1 (en) | 2023-03-28 |
Family
ID=
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2817507C1 (en) * | 2023-12-20 | 2024-04-16 | Самсунг Электроникс Ко., Лтд. | Microwave signal power divider and antenna array |
Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1756992A1 (en) * | 1989-11-23 | 1992-08-23 | Красноярский научно-исследовательский институт радиосвязи | Array |
US7167129B1 (en) * | 2004-10-12 | 2007-01-23 | Sandia Corporation | Reproducible, high performance patch antenna array apparatus and method of fabrication |
CN203250851U (en) * | 2013-05-09 | 2013-10-23 | 合肥师范学院 | Four array L band omnidirectional satellite positioning antenna |
RU2571455C2 (en) * | 2011-08-29 | 2015-12-20 | БГ ТэндА КО. | Antenna for radar detector |
US9391375B1 (en) * | 2013-09-27 | 2016-07-12 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Wideband planar reconfigurable polarization antenna array |
CN110931975A (en) * | 2019-12-06 | 2020-03-27 | 电子科技大学 | Broadband low-sidelobe low-profile planar array antenna |
CN110970722A (en) * | 2019-12-20 | 2020-04-07 | 华进半导体封装先导技术研发中心有限公司 | Low-profile broadband patch antenna structure applied to 5G millimeter wave wireless communication |
CN111710968A (en) * | 2020-07-16 | 2020-09-25 | 北京邮电大学 | Millimeter wave differential filtering double-patch antenna based on coupling power divider feed |
RU2757534C1 (en) * | 2020-05-12 | 2021-10-18 | Олег Леонидович Головков | Flat antenna for receiving an l-band radio signal of circular polarization |
Patent Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1756992A1 (en) * | 1989-11-23 | 1992-08-23 | Красноярский научно-исследовательский институт радиосвязи | Array |
US7167129B1 (en) * | 2004-10-12 | 2007-01-23 | Sandia Corporation | Reproducible, high performance patch antenna array apparatus and method of fabrication |
RU2571455C2 (en) * | 2011-08-29 | 2015-12-20 | БГ ТэндА КО. | Antenna for radar detector |
CN203250851U (en) * | 2013-05-09 | 2013-10-23 | 合肥师范学院 | Four array L band omnidirectional satellite positioning antenna |
US9391375B1 (en) * | 2013-09-27 | 2016-07-12 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Wideband planar reconfigurable polarization antenna array |
CN110931975A (en) * | 2019-12-06 | 2020-03-27 | 电子科技大学 | Broadband low-sidelobe low-profile planar array antenna |
CN110970722A (en) * | 2019-12-20 | 2020-04-07 | 华进半导体封装先导技术研发中心有限公司 | Low-profile broadband patch antenna structure applied to 5G millimeter wave wireless communication |
RU2757534C1 (en) * | 2020-05-12 | 2021-10-18 | Олег Леонидович Головков | Flat antenna for receiving an l-band radio signal of circular polarization |
CN111710968A (en) * | 2020-07-16 | 2020-09-25 | 北京邮电大学 | Millimeter wave differential filtering double-patch antenna based on coupling power divider feed |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2817507C1 (en) * | 2023-12-20 | 2024-04-16 | Самсунг Электроникс Ко., Лтд. | Microwave signal power divider and antenna array |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5337065A (en) | Slot hyperfrequency antenna with a structure of small thickness | |
Zhou et al. | Design of a wideband dual-polarization full-corporate waveguide feed antenna array | |
CN107134658B (en) | Miniaturized CTS flat panel array antenna | |
Zhang et al. | 45 GHz wideband circularly polarized planar antenna array using inclined slots in modified short-circuited SIW | |
US7079082B2 (en) | Coplanar waveguide continuous transverse stub (CPW-CTS) antenna for wireless communications | |
Phalak et al. | Aperture coupled microstrip patch antenna array for high gain at millimeter waves | |
US10141645B2 (en) | Multiband antenna | |
Abushakra et al. | Design and measurements of rectangular dielectric resonator antenna linear arrays | |
CN110380199A (en) | Shared aperture dual-band array antenna based on micro-strip grid and patch | |
RU2793081C1 (en) | Q-range microband antenna array | |
Kumar et al. | SIW resonator fed horn mounted compact DRA with enhanced gain for multiband applications | |
CN215579057U (en) | Side-fed single-layer broadband microstrip patch, microstrip antenna array and radar thereof | |
CN112054289B (en) | Electronic device | |
My et al. | A magneto-electric dipole antenna array for millimeter wave applications | |
Singh et al. | Design of substrate integrated waveguide (siw) slot antenna for millimeter-wave 5g application | |
Al Azzawi et al. | Substrate Integrated Waveguide Series Feed Patch Antenna at Millimeter Wave for 5G application | |
Hamedani et al. | Design of Ku-band Leaky-Wave Slot Array Antenna Based on Ridge Gap Waveguide | |
Mathur et al. | Waveguide fed microstrip antenna array using i-shaped slots at ka-band | |
Khan et al. | Substrate integrated waveguide slot-fed grid array antenna | |
Chen | Wideband multilayered microstrip antennas fed by coplanar waveguide-loop with and without via combinations | |
CN112821054B (en) | High-gain slotted microstrip patch antenna | |
Taraji et al. | Design of a Compact 2-by-2 Horn Slot Antenna Array Fed by Printed Ridge Gap Waveguide | |
Rifat et al. | 1× 4 Patch Array Antenna for 28GHz 5G Millimeter-wave Communication | |
CN115911869B (en) | Millimeter wave wide bandwidth angle scanning antenna and antenna array based on three-function electric wall | |
Patel et al. | A Wideband Dielectric Resonator Antenna Fed by Printed Ridge Gap Waveguide |