ШИРОКОПОЛОСНАЯ НАПРАВЛЕННАЯ ДВУХДИАПАЗОННАЯ АНТЕННА С ДВОЙНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ

Полезная модель относится к антенной технике и может быть использована для усиления сигналов сотовой связи и в системах передачи данных в качестве абонентской антенны или как элемент антенной решетки антенны базовой станции.
Известна широкополосная направленная двухполяризационная антенна (патент на полезную модель RU 180322, опубликован 08.06.2018), содержащая, по крайней мере, две пары вибраторов, плоскости поляризации этих пар вибраторов перпендикулярны, причем плечи вибраторов одной поляризации совпадают с плечами вибраторов другой поляризации и расположены над общим рефлектором, а питающие их симметричные линии передачи находятся на одинаковой высоте от рефлектора и связаны с коаксиальными входами антенны с помощью симметрирующих устройств.
Известна широкополосная направленная антенна с двойной поляризацией (патент на полезную модель RU 172803, опубликован 27.03.2017). Данное устройство содержит две антенны с линейной поляризацией, имеющие общий экран, каждая из которых состоит из, по крайней мере, двух активных вибраторов, причем плечи активных вибраторов одной антенны являются плечами активных вибраторов второй антенны, отличающаяся тем, что схема питания вибраторов каждой антенны выполнена на отрезках двухпроводной линии передачи, соединяющих входы вибраторов и несимметричную линию передачи.
Прототипом является широкополосная направленная антенна с двойной поляризацией (патент на полезную модель RU 169151, опубликован 07.03.2017). Антенна состоит из двух антенн с линейной поляризацией, каждая из которых состоит из активных вибраторов, экрана, питающей коаксиальной линии, отличающаяся тем, что каждая антенна с линейной поляризацией состоит из, по крайней мере, двух активных вибраторов, причем плечи активных вибраторов одной антенны являются плечами активных вибраторов второй антенны, по крайней мере, двух симметрирующих трансформаторов, подключенных к активным вибраторам.
Недостатком указанных известных устройств является недостаточно широкий диапазон их рабочих частот по меркам современных требований высокоскоростной передачи данных.
Технической задачей полезной модели является создание направленной технологичной малогабаритной антенны с двойной поляризацией, имеющей высокий коэффициент усиления и высокую развязку между входами антенны в двух достаточно широких диапазонах частот.
Техническим результатом полезной модели является существенное расширение рабочего диапазона частот двухполяризационной направленной антенны высокого усиления по сравнению с существующим уровнем техники.
Для достижения указанного технического результата предлагается антенна, состоящая из четырех пар вибраторов, причем две пары вибраторов нижнего диапазона частот расположены над общим проводящим рефлектором так что плоскости поляризации этих пар вибраторов взаимно-перпендикулярны и плечи пары вибраторов одной поляризации совпадают с плечами пары вибраторов другой поляризации и в то же время представляют собой рефлектор для других двух пар вибраторов верхнего диапазона частот, расположенных над ними так, что плоскости поляризации этих пар вибраторов также перпендикулярны и плечи пары вибраторов одной поляризации совпадают с плечами пары вибраторов другой поляризации. Плечи вибраторов нижнего диапазона частот попарно соединены с двумя коаксиальными входами антенны, закрепленными на общем рефлекторе, посредством четырех симметрирующих устройств и микрополосковых линий передачи. Плечи вибраторов верхнего диапазона частот соединены между собой питающими их полосковыми линиями передачи, пересекающими зазор между плечами вибраторов нижнего диапазона частот вблизи их точек соединения с симметрирующими устройствами. Антенна также может содержать пассивные вибраторы нижнего и верхнего диапазонов частот, расположенные над соответствующими активными вибраторами. Плечи вибраторов нижнего и верхнего диапазона частот и пассивные вибраторы могут быть закреплены на рефлекторе или диэлектрическом кожухе с помощью диэлектрических стоек, причем пассивные вибраторы могут быть закреплены в точках нулевого потенциала и при помощи проводящих стоек.
С целью повышения технологичности изготовления антенны, рефлектор, активные и пассивные вибраторы, симметрирующие устройства с питающими их микрополосковыми линиями могут быть изготовлены из листового металла одним и тем же способом обработки с последующей гибкой, причем каждая пара симметрирующих устройств и питающие ее полосковые линии образуют единую деталь, активные вибраторы верхнего частотного диапазона и питающие их полосковые линии также объединены в одну деталь из листового металла.
Для защиты антенны от агрессивных воздействий на рефлекторе может быть закреплен диэлектрический радиопрозрачный кожух со стороны излучающих элементов или антенна может быть помещена в корпус из диэлектрического материала целиком.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежами, на которых изображен вариант исполнения антенны, а именно: на Фиг. 1 изображен общий вид антенны, на Фиг. 2, для большей наглядности, показан разнесенный вид антенны, где:
1 - несущий рефлектор антенны из проводящего материала;
2 - плечо вибратора нижнего частотного диапазона;
3 - плечо вибратора верхнего частотного диапазона;
4 - пассивный вибратор верхнего частотного диапазона;
5 - пассивный вибратор нижнего частотного диапазона;
6 - полосковая линия, питающая вибраторы верхнего частотного диапазона;
7, 8 - микрополосковые линии, питающие симметрирующие устройства;
9 - коаксиальные входы антенны;
10 - симметрирующие устройства;
11 - защитный кожух антенны из радиопрозрачного материала.
Рассмотрим вариант исполнения антенны, показанный на Фиг. 1 и Фиг. 2. Над рефлектором 1, имеющим размеры около (λнч × λнч), где λнч - длина волны на средней частоте нижнего частотного диапазона, на высоте около 0,15λнч в одной плоскости симметрично расположены четыре плеча 2 вибраторов нижнего частотного диапазона на диэлектрических стойках соответствующей высоты. Плечи 2 выполнены в виде металлических пластин размером около (0,3λнч × 0,3λнч) и могут иметь различную форму. Зазор между плечами 2 выбирается исходя из наилучшего согласования с входом антенны и в данном варианте равен примерно 0,045λлч. Плечи 2 вибраторов попарно подсоединены к четырем симметрирующим трансформаторам 10 так, что каждая пара плеч 2 с одним из симметрирующих трансформаторов 10 образует полуволновый диполь линейной поляризации. Симметрирующие трансформаторы 10 представляют собой короткозамкнутые мостики, установленные на несущем рефлекторе 1, и подключены попарно микрополосковыми линиями 7 и 8 к коаксиальным входам антенны 9. Для расширения нижнего частотного диапазона над каждым из четырех полуволновых диполей, образованных плечами 2, на высоте 0,11λнч установлены пассивные вибраторы 5, представляющие собой узкие металлические пластинки длиной около 0,4λнч.
Для работы в верхнем частотном диапазоне на высоте около 0,15λвч над плечами 2 вибраторов на диэлектрических держателях установлены проводящие вибраторы 3 в форме дисков диаметром около 0,42λвч, где λвч - длина волны на средней частоте верхнего частотного диапазона. Вибраторы 3 соединены друг с другом полосковыми линиями 6, проходящими вблизи точек соединения симметрирующих устройств 10 и плеч 2 вибраторов на расстоянии от плеч 2 около 0,02λвч. Для расширения рабочей полосы частот в верхнем частотном диапазоне на высоте примерно 0,07λвч над центрами вибраторов 3 на держателях установлены пассивные вибраторы 4 в виде проводящих дисков диаметром около 0,33λвч. Вибраторы 3 и 4 могут иметь различную форму. Для защиты элементов антенны на рефлекторе 1 установлен диэлектрический кожух 11.
Принцип работы антенны в одной из плоскостей поляризации YOZ следующий: при подаче высокочастотного сигнала на один из коаксиальных входов антенны 9, подключенный к микрополосковой линии 7, мощность сигнала делится поровну и в равной степени поступает на соединенные с ней два симметрирующих устройства 10 и далее через них поступает на входы активных вибраторов нижнего частотного диапазона, образованных плечами 2 и возбуждает в них токи высокой частоты. В результате, пара активных полуволновых вибраторов, образованных плечами 2 питается синфазно и вместе с двумя параллельными им пассивными вибраторами 5 и рефлектором 1 формирует излучение линейной поляризации, параллельной оси Y, преимущественно в направлении оси Z. В верхнем частотном диапазоне высокочастотные токи, направленные вдоль зазора между плечами 2 вибраторов, создают в зазоре область с высокой напряженностью поля, что возбуждает токи высокой частоты в пересекающих данный зазор проводниках 6, питающих вибраторы 3. В результате, вибраторы 3 также питаются от проводников 6 синфазно и вместе с пассивными вибраторами 4 и плечами 2, в качестве рефлектора, также формируют излучение линейной поляризации, параллельной оси Y, преимущественно в направлении оси Z.
Аналогично антенна работает в ортогональной поляризации в плоскости XOZ от другого коаксиального входа 9, задействовав микрополосковую линию 8 и вторую пару симметрирующих устройств 10.
В результате, антенна способна формировать излучение в одном направлении, но с взаимно ортогональными поляризациями. Благодаря этому широкополосная направленная двухдиапазонная антенна с двойной поляризацией может работать одновременно с двумя приемниками или двумя передатчиками и обеспечивать работу системы связи, использующую поляризационное и частотное разделение каналов распространения радиоволн. Также данная система может быть использована в антифединговых системах с поляризационным разносом антенн.
Описанный вариант конструкции позволил получить следующие основные технические характеристики:
рабочие диапазоны частот: 698-960 МГц, 1700-2700 МГц;
коэффициент усиления в указанных диапазонах частот: 9,3..9,7 дБи, 13,2..15,0 дБи;
коэффициент стоячей волны в указанных диапазонах частот не более 2;
изоляция между входами антенны в указанных диапазонах частот не менее 40 дБ;
габариты антенны 300×300×100 мм.