КВАЗИПЛОСКАЯ ПАНЕЛЬНАЯ АНТЕННА

Заявляемая полезная модель относится к антенной технике, а именно к панельным антеннам, и может быть использована в сетях беспроводной связи в комплектах оборудования стандартов: 2G (GSM1800), 3G (UMTS 2100), 4G (WIMAX, LTE), WI-FI (IEEE 802.11b, g). Эта антенна может быть использована и в других стационарных и мобильных системах, диапазона 1700-2800 МГц, в качестве основной направленной широкополосной антенны, предназначенной как для передачи, так и приема радиосигналов.
Известна узкоспециализированная панельная антенна (патент РФ № 2359376, опубл. 20.06.2009, бюл. № 17), относящаяся к антенным решеткам для сотовых систем связи. Известная антенна состоит из одной пары или нескольких пар фигурных ортогональных излучателей, каждый из излучателей питается коаксиальным кабелем, двух сумматоров-делителей и разъемов для подключения приемопередающей аппаратуры, отражателя и корпуса из металла. Каждый из двух ортогональных излучателей по постоянному току замкнут друг на друга. Крепление излучателей осуществляется на металлических оплетках полужестких кабелей и металлических столбиках.
Недостатками известной антенны являются увеличенная деталировка и конструктивная сложность, обеспечивающие использование разных поляризаций, технологические трудности изготовления, в том числе при нестандартном креплении на оплетках полужестких коаксиальных кабелей, и повышенная трудоемкость разводки коаксиальных фидеров.
Известна панельная антенна базовой станции (патент РФ № 81384, опубл. 10.03.2009, бюл. № 7), содержащая плоский рефлектор с размещенными на нем структурами активных элементов и системы линий питания. Структуры активных элементов представляют собой две пары расположенных друг над другом спаренных одинаковых равнобедренных треугольников, каждый треугольник каждой пары имеет внутреннюю и внешнюю стороны и общее основание, которым является соответствующая линия питания.
Недостатками панельной антенны базовой станции являются относительная частотная широкополосность, обеспечивающаяся кратным использованием рабочих полос, отсутствие возможностей использования гальванической связи с рефлектором, требующих применения изоляторов для крепления структуры активных элементов и недостаточно высокий коэффициент усиления, отмеченный в описании.
ср.
ср.
ср.
Наиболее близким техническим решением является антенна-прототип в виде многоэтажных широкополосных вибраторов с отражателем (Ротхаммель К., Кришке А. Антенны. Том 2: Пер. с нем. - М.: Данвел. 2005. С. 135 - 136, рис. 26.11). Антенна-прототип содержит два этажа пар плоских треугольных в плечах вибраторов, при их общей линейной протяженности по продольной оси вибраторов, равной (0,72-0,75)λ, синфазное питание двухпроводной линией, с разносом между этажами равном 1λ и приближением вибраторов к отражателю на 0,2λ.
ср.
ср.
л
Недостатками антенны-прототипа являются недостаточно эффективное использование площади отражателя при разносе между этажами, равном 1λ, и увеличении габаритов на 0,25λ за размеры вибраторов, низкий коэффициент усиения, и неоднозначность подключения питающего коаксиального кабеля.
Задачей предлагаемого изобретения является создание широкополосной, повышенной электрической эффективности, механически надежной в эксплуатации панельной антенны с уменьшенными продольными и поперечными размерами на базе упрощенных составных элементов, характеризующейся облегченной технологией изготовления и обеспечивающей повышенные эксплуатационные требования по работе в беспроводных сетях связи.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, состоит в увеличении коэффициента усиления и снижении коэффициента стоячих волн, в расширенном рабочем диапазоне частот с оптимизацией конструктивного выполнения за счет упрощения и повышения технологичности антенны.
мин
мин
ср.
ср.
макс.
ср.
мин.
Технический результат достигается реализацией фазированной решетки из широкополосных плоских вибраторов, расположенных перед отражателем, при выполнении плеч в виде круговых секторов с радиусом 0,5λ и углами раскрыва α, равными 45 градусам. Вибраторы сведены в многоэтажную структуру, при соединении парами, с разносом между этажами в парах на 0,5λ и с разносом на λ между парами этажей. Симметрично образованной структуре, с разносом на 1λ по ширине отражателя, введена идентичная вторая структура, с расположением вибраторов обеих структур на расстояниях 0,1λ от отражателя, который имеет линейные размеры сторон, соизмеримые с 2λ. Вибраторы закреплены на отражателе с помощью проводящих стоек, при удалении их точек крепления к отражателю на 0,25λ от проекций точек соединения круговых секторов плеч с линией питания. Вибраторы в парах соединены противофазно двухпроводной линией питания, а пары вибраторов двухпроводной линией подключены синфазно к сумматорам-симметризаторам. Сумматоры-симметризаторы соединены однопроводными линиями равной длины, расположенными параллельно отражателю, с несимметричным разъемом входа антенны для подключения приемопередающей аппаратуры, который закреплен на проводящем отражателе. На проводящий отражатель установлено радиопрозрачное укрытие для элементов антенной системы.
мин
мин
Новизна в части устройства полезной модели усматривается в том, что плечи вибраторов выполнены в виде круговых секторов с радиусом 0,5λи углами раскрыва α, равными 45 градусов, при этом этажи вибраторов выполнены парами, с разносом этажей в парах на 0,5λ.
ср.
ср.
Новизна в части устройства по полезной модели усматривается в том, что при разносе пар этажей вибраторов на 1λ, симметрично образованной структуре этажных пар по ширине отражателя, введена идентичная структура этажных пар с разносом на 1λ.
макс.
ср.
мин
Новизна в части устройства по полезной модели усматривается в том, что расположение вибраторов в структурах пар осуществлено на малых расстояниях 0,1λ от отражателя, который также имеет уменьшенные линейные размеры сторон, соизмеримые с 2λ, при размещении двух структур с линейными размерами вибраторов в каждой, равными 1λ.
мин
Новизна в части устройства по полезной модели усматривается в том, что вибраторы структур закреплены на отражателе с помощью проводящих стоек, удаленных от проекций точек соединения круговых секторов плеч с линией питания на 0,25λ.
Новизна в части устройства по полезной модели усматривается в том, что вибраторы с плечами в парах соединены противофазно двухпроводной линией питания, а пары вибраторов двухпроводной линией синфазно подключены к сумматорам-симметризаторам, которые соединены однопроводными линиями равной длины, расположенными параллельно отражателю, с несимметричным разъемом входа антенны.
Сочетание отличительных признаков и свойств как в заявленном устройстве из технической, научной литературы и патентной документации по панельным антеннам и их аналогам не выявлено, поэтому оно соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.
Промышленная применимость заявленного технического решения усматривается, при реализации одной деталью при прямой и обратной установке в структуру этажей плеч, в сравнительной простоте изготовления, тиражирования и эксплуатации при высоких электрических показателях и возможности универсального использования на промышленной основе, конкурентоспособном уровне и перспективой версий дальнейшего развития.
На фиг. 1 приведен эскиз квазиплоской панельной антенны.
мин
мин
ср.
ср.
макс.
ср.
мин
Квазиплоская панельная антенна содержит этажи широкополосных плоских вибраторов с плечами 1, выполненными в виде круговых секторов с радиусом 0,5λ и углами раскрыва α, равными 45 градусам. Структура 3 вибраторов содержит этажи вибраторов, выполненных парами 2, с разносом этажей в парах на 0,5λ и разносом на 1λ пар этажей 2 вибраторов. Симметрично образованной структуре 3, этажных пар 2, по ширине отражателя 4, с разносом на 1λ, введена идентичная структура 5 этажных пар 2, с расположением вибраторов в структурах 3,5 пар 2, на расстояниях 0,1λ от отражателя 4. Отражатель 4 имеет линейные размеры сторон, соизмеримые с 2λ. Вибраторы закреплены на отражателе 4 с помощью проводящих стоек 6, удаленных на 0,25λ от проекций точек соединения круговых секторов плеч 1 с линией питания 7. Вибраторы, с плечами 1 в парах 2, противофазно соединены между собой двухпроводной линией питания 7, а пары 2 синфазно подключены двухпроводной линией к сумматорам-симметризаторам 8. Сумматоры-симметризаторы 8 соединены, расположенными параллельно отражателю 4, однопроводными линиями равной длины 9 с несимметричным разъемом входа антенны 10. Разъем входа антенны 10 предназначен для подключения приемопередающей аппаратуры и закреплен на проводящем отражателе 4. На отражатель 4 установлено радиопрозрачное укрытие (на эскизе не показано) для защиты элементов антенной системы от внешних неблагоприятных воздействий.
Квазиплоская панельная антенна работает следующим образом.
мин
ср.,
мин.,
ср.
макс.
Наведенное в плечах 1 волнового вибратора высокочастотное напряжение возбуждает возникновение тока проводимости в проводниках вибратора и обеспечивает его протекание в собирательную линию питания 7, как это широко описано в технической литературе. При этом с длиной плеч, выполненных в виде круговых секторов с радиусом 0,5λ, ток будет увеличенным, относительно классической реализации плеч диполей с длиной 0,25λ за счет повышенной зоны адсорбции, а раскрыв кругового сектора до 45 градусов обеспечивает широкополосность и увеличение входного сопротивления одиночного вибратора. Разнесенные этажи вибраторов, выполненные парами 2, с разносом этажей в парах на расстояние, равное 0,5λ и разносом пар этажей 2 вибраторов на 1λ, обеспечивают при противофазном включении вибраторов практически диапазонную синфазную работу в парах, с учетом задержки из-за протяжения двухпроводной линии питания 7, и обеспечивается суммирование по структуре 3 с помощью сумматора-симметризатора 8. Такое же суммирование происходит и в структуре 5, а с помощью однопроводных линий равной длины 9, происходит дальнейшее синфазное суммирование от структур 3 и 5 на несимметричном разъеме входа антенны 10, повышая коэффициент усиления. При этом ввиду того, что токи в однопроводных линиях на суммирование текут в противоположных направлениях, то они не дают антенного эффекта, то есть паразитного излучения, а их расстояние от проводящего отражателя 4 обеспечивает необходимое волновое сопротивление линий для согласования с подключаемым к антенне фидером. С учетом размеров конструкции антенного устройства, ее продольных размеров, определяемых расстоянием от проводящего отражателя до расположения вибраторов в структурах 3,5 пар 2 на расстояниях 0,1λ соответствует названию квазиплоская панельная антенна.
Техническое решение квазиплоской панельной антенны реализовано партией опытных образцов, при электрических измерениях полностью подтверждающих доводы, раскрытые в описании.