Іванченко І. В., Попенко Н. А., Хруслов М. М. Інститут радіофізики та електроніки ім. А. Я. Усикова НАН України Харків – 61085, вул. Ак. Проскури 12 тел. +38 (057) 7448594, e-mail: buran@ire.kharkov.ua

Анотація – У роботі наведені результати експериментальних досліджень планарних діелектричних дискових антен з різними підкладками і випромінюючими елементами. Геометричні та електричні параметри антенних прототипів обрані відповідно до теоретичними розрахунками. Встановлено, що використання підкладок з різними значеннями діелектричної проникності призводить до зміни форми діаграми спрямованості. Показана можливість збільшення випромінюваної у вільний простір потужності та розширення смуги частот діелектричних антен в порівнянні з аналогічними дисковими металевими антенами.

I. Вступ

Останнім часом діелектричні антени все частіше використовуються як альтернативний аналог відомих планарних металевих дискових антен. Відповідно до теоретичними передумовами [1], застосування діелектричного випромінюючого елемента замість металевого повинно призводити до зростання рівня випромінюваної у вільний простір потужності і розширення смуги частот антен даного класу. При цьому використання в якості підкладок матеріалів з різної діелектричної проникності дозволяє формувати принципово різні діаграми спрямованості.

II. Основна частина

В роботі наводяться результати експериментального дослідження планарних антен, що представляють собою діелектричний диск (£ d> £ s), розташований на діелектричної підкладці. При цьому розміри останньої істотно перевищують розміри диска. В якості елемента збудження антени використовувався вертикальний електричний диполь у вигляді відрізка центральної жили коаксіального кабелю.

Вимірювання діаграм спрямованості проводилося з використанням розвинутого авторами методу, що забезпечує можливість реєстрації приймального сигналу у всій робочій смузі частот (8 – 10ГГц) з дискретом 10МГц в кожній точці положення приймальні антени. Кутовий дискрет положення приймального рупора в процесі запису діаграм спрямованості становив 0.5 °. Даний алгоритм дозволяє проводити запис сигналів і обробку масиву даних в реальному масштабі часу [2]. Для чисельної обробки отриманих результатів вимірювання використовувалося програмне забезпечення, написане в оболонці Borland C + + 5.0.

Антена у вигляді діелектричного диска (радіус rd= 22 мм, товщина hd= 0,25 мм, £ = 7), розташований на полістиролових підкладці (радіус rs= 220 мм, товщина hs= 4MM, £ = 2,5) має діаграму спрямованості (рис. 1, а), у якої найбільша потужність випромінювання сконцентрована в центральних пелюстках. При приміщенні того ж диска на тефлонову підкладку (радіус rs= 80 мм, товщина hs= 4 мм, £ = 2,05) спостерігається діаграма спрямованості (рис. 1, Ь), у якій переважають бічні пелюстки. При приміщенні на ті ж підкладки в якості випромінюючого елемента діелектричного диска (радіус гь = 25мм, товщина hd = 0,5 MM, £ = 90) (рис.2) потужність випромінювання у вільний простір істотно зростає. У даній антені, в порівнянні з раніше розглянутим, діаграми спрямованості змінюються. У антени з полістиролових підкладкою відбувається перерозподіл потужності, а саме, інтенсивність випромінювання виявляється більшою в бічних пелюстках, а у антени з тефлоновим підкладкою основна потужність випромінювання зосереджена в близькості-севих пелюстках.

6, degree

Рис. 1. Діаграми спрямованості діелектричної дискової антени (22×0, 25 мм2, Е = 7) з полістиролових (а) і тефлоновим (б) підкладками.

Fig. 1. Far-field patterns of dielectric disk antenna (22×0,25 mm2, z=7) with polystyrene (a) and teflon substrates

6, degree

Puc. 2. Діаграми спрямованості діелектричної дискової антени (25×0, 5 мм2, Е = 90) з полістиролових (а) і тефлоновим (б) підкладками.

Fig. 2. Far-field patterns of dielectric disk antenna (25×0,5 mm2, £=90) with polystyrene (a) and teflon substrates

PLANAR DIELECTRIC DISK ANTENNAS

III. Висновок

Таким чином, в роботі представлені результати дослідження планарних діелектричних антен і показана можливість зміни діаграми спрямованості при зміні діелектричної проникності її елементів. Показано, що застосування друкованих дискових антен з великою діелектричною проникністю випромінюючих елементів дозволяє збільшити потужність випромінювання у вільний простір і розширити смугу частот в порівнянні з аналогічними дисковими металевими антенами.

I. Список літератури

[1] БлізнюкН. Ю., Носіч А. І. Чисельний аналіз діелектричної антени. Радіофізика і електроніка. 2000, т. 5, № 1.

[2] I. Ivancenko, A. Korolev, N. Lukyanova (Bliznyuk). Broadband omnidirectional circular patch antenna. 17th International conference on applied electromagnetics and communications, Dubrovnik (Croatia), 1-3 October, 2003.

Ivanchenko I., Popenko N., Khruslov M.

Usikov Institute for Radiophysics and Electronics of NAS of Ukraine 12, Proskura st., 61085 Kharkov, Ukraine

tel. 38 057 7448594, e-mail: buran@ire.kharkov.ua

Abstract – The results of experimental investigations of planar dielectric disk antennas with different substrates and radiating elements are presented. Geometric and electromagnetic parameters of antenna prototypes selected in accordance with theoretical calculations. The use of substrates with different dielectric permittivity is determined to give rise the change in the radiation pattern shape. The possibility is shown to increase radiation power in the free space and to broaden antenna bandwidth in comparison with the similar metal disk antennas.

I.  Introduction

Today the planar disk antennas are used more and more frequently as alternative analogue of well-known metal patch circular antennas. In accordance with theoretical predictions the use of dielectric radiating element instead of metal one should increase the radiation power in free space and broaden the bandwidth of this class of antennas. At that the utilization of materials with different dielectric permittivity as an antenna substrate allow to form the essentially different radiation patterns.

II.  Main part

The results of experimental investigation the planar antennas in the form of dielectric disk with £d > £s are considered in this paper. Substrate dimensions exceed essentially those of dielectric disk. As an excitation element a vertical electric dipole in the form of coaxial cable central wire length is used.

Software developed by authors provides a possibility to measure the far-field radiation patterns within 8-10GHz operating frequency band. The like algorithm allows the real time data processing [2]. Fig.1 illustrates the far-field radiation patterns of two antenna prototypes: 1) the dielectric disk (radius rd=22mm, thickness hd=0,25mm, £=7) located on the polystyrene substrate (radius rs=220mm, thickness hs=4mm, £=2,5) (Fig.1a), 2) the same dielectric disk located on the teflon substrate (radius rs=80mm, thickness hs=4mm, £=2,05) (Fig.1b). As shown in Fig.1 both far-field patterns display essential difference of their shapes. The first prototype maximum radiation power in Fig1 ,a is concentrated in the central lobes whereas in the second prototype far- field of Fig.1 ,b the greater power is radiated in the side lobes. If the dielectric disk with radius rd=25mm, thickness hd=0,5MM, £=90 is placed on the substrates like those, the radiation power in free space is increased essentially. The radiation pattern of this antenna is changed as well (Fig.2). In the case of polystyrene substrate one can see the redistribution in the radiation power. In other words the basic radiation power is greater in the side lobes whereas with the teflon substrate the basic radiation power is concentrated approximately along the zenith direction.

III.  Conclusion

In conclusion, the results of experimental investigations of planar dielectric antenna prototypes and demonstration of real possibility to control the radiation pattern by changing the dielectric permittivity of antenna elements are shown in the paper. It is reported that the use of patch disk antennas with high dielectric permittivity of radiated elements enhances the radiation power in free space as well as broadens the antenna bandwidth in comparison with the similar metal disk antennas.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»