Котелевская М.В., Одаренко Е.Н.

Харьковский национальный университет радиоэлектроники

перфорированные микрополосковые антенны

Развитие антенной техники обусловлено необходимостью совершенствования излучающих и приемных устройств различных частотных диапазонов. Особенно это актуально в СВЧ- и КВЧ-диапазонах, поскольку именно в них работают большинство современных средств связи. Одним из основных направлений развития антенной техники являются микрополосковые устройства. Антенны на их основе широко используются в мобильных средствах телекоммуникации, а также при формировании беспроводной связи [1]. Достоинством микрополосковых антенн является, в первую очередь, их малый вес, небольшие размеры, низкая стоимость, а также высокая технологичность. Однако при использовании этих устройств возникает множество проблем, обусловленных их недостатками: малой широкополосностью, низкой эффективностью запитки, сложностью управления характеристиками и т.д. Поскольку в настоящее время практически отсутствует альтернатива микрополосковым антеннам при разработке миниатюрных устройств, то возникает множество задач, связанных с улучшением эксплуатационных параметров данного типа антенн.

В данной работе рассматривается один из аспектов этой проблемы – усовершенствование конструкции микрополосковой patch-антенны за счет использования периодической перфорации ее резонатора (рис. 1), т.е. формирования двухмерного фотонного кристалла. Такой подход довольно часто используется в микрополосковых антеннах, однако обычно перфорируется диэлектрическая подложка или заземленная пластина [2].

Эффективность антенны определяется ее диаграммой направленности (ДНА), поэтому далее рассматривается именно эта характеристика. Для расчета ДНА обычной микрополосковой patch-антенны можно использовать следующее выражение [1]:

Здесь и – полярные углы сферической системы координат; – поперечный размер полоскового резонатора; – ширина эквивалентной излучающей щели.

Моделирование антенны с перфорированным резонатором представляет собой более сложную задачу. Поэтому расчет характеристик такой антенны проводился с использованием пакета электромагнитного моделирования emGine.

Результаты расчетов характеристик антенн показывают, что перфорация полоскового резонатора существенно влияет на характеристики микрополосковых антенн, в частности на диаграммы направленности этих структур, которые представлены на рис. 2.

Максимальный коэффициент направленного действия реализуется у patch-антенн с перфорацией в виде цилиндрических отверстий, причем мощность излучения в направлении, перпендикулярном плоскости антенны, оказывается почти в два раза больше, чем у обычной микрополосковой антенны без перфорации. Поэтому они представляют больший практический интерес, т.к. задачей работы является улучшение свойств микополосковой антенны за счет периодической перфорации полоскового резонатора.

Рис. 2а соответствует различным значениям отношения радиуса отверстий к периоду фотонно-кристаллической структуры. На рис. 2б представлены результаты расчета диаграммы направленности для конфигураций перфорации с градиентным изменением диаметра отверстий вдоль различных направлений.

Очевидно, что в данном случае максимальный коэффициент направленного действия антенны практически совпадает со случаем, когда перфорация характеризуется одинаковыми отверстиями.

Литература:

1. D.G. Fang. Antenna theory and microstrip antennas. CRC Press, 2010. 296 p.

2. R. Gonsalo, G. Nagore, P. de Maagt. Simulated and Measured Performance of a Patch Antenna on a 2-dimensional Photonic Crystals Substrate. - PIER, 2002, V. 37, pp. 257–269.