ШИРОКОПОЛОСНАЯ НАПРАВЛЕННАЯ АНТЕННА С ДВОЙНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ

Полезная модель относится к антенной технике и может быть использована в качестве направленной антенны для сетей беспроводной связи.
Из существующего уровня техники известен патент CN 102117961 А «Wideband dual polarization directional radiation unit and antenna» («Широкополосный направленный излучающий блок с двойной поляризацией и антенна») (опубликован 06.07.2011). Широкополосный направленный излучающий блок с двойной поляризацией расположен на рефлекторной/отражающей пластине таким образом, чтобы сформировалась антенна, и содержит: удерживающий элемент, излучающие части, питающий кабель и хотя бы одну из трех структур, увеличивающих полосу согласования, включая вырезы, расположенные на каждой излучающей части, нагрузочную секцию, установленную на нижней поверхности каждой излучающей части и проводящего элемента, соединяющего питающий кабель и излучающие части, установленный ниже верхней поверхности излучающих частей, в которых проделана группа отверстий, каждая группа отверстий содержит одно отверстие в форме многоугольника по центру и два других отверстия в форме многоугольника справа и слева от первого отверстия. Недостатками прототипа являются:
низкий коэффициент направленного действия одиночного блока,
для достижения высокого КНД возможно объединение нескольких блоков в антенную решетку, но для этого необходимо добавление схемы питания, которая должна содержать как минимум четыре коаксиальные линии питания и хотя бы два делителя мощности, что отрицательно сказывается на технологичности антенны в целом.
Также известна планарная антенна двойной поляризации №2276822 от 14.01.2004 (опубликована 20.05.2006), выполненная в виде квадратной металлической пластины, размещенной над проводящей поверхностью, с подключенными к ней попарно противофазно возбуждающими элементами, длина диагонали квадратной металлической пластины равна длине волны излучения, а противофазные возбуждающие элементы ортогональных линейных поляризаций подключены к металлической пластине попарно симметрично по ее ортогональным диагоналям.
Вышеописанная антенна имеет следующие недостатки:
меньшая полоса рабочих частот ввиду применения печатного излучателя;
меньший коэффициент направленного действия.
В качестве ближайшего прототипа рассмотрим широкополосную направленную антенну №146938 от 24.02.2014 (опубликована 20.10.2014, бюл. №29), которая представляет собой антенную решетку из двух широкополосных вибраторов увеличенного размера с плечами в форме дисков, расположенных над экраном, а также имеющая четыре дополнительных пассивных вибратора, расположенных над плечами активных вибраторов. Питание активных вибраторов осуществлено через двухпроводную линию переменного сечения. Антенна имеет симметрирующее устройство и высокочастотный разъем, закрепленный на экране антенны. Плечи активных вибраторов, пассивные вибраторы, экран, двухпроводная линия и симметрирующее устройство выполнены из листового металла.
Недостатком вышеприведенного аналога антенны является:
отсутствие возможности излучать волны с взаимно ортогональными линейными поляризациями.
Технической задачей полезной модели является создание широкополосной технологичной малогабаритной двухполяризационной антенны, имеющей высокий коэффициент усиления и высокую развязку между входами антенны в полосе +/-25% от центральной частоты.
Техническим результатом полезной модели является достижение высокой развязки между входами антенны.
Указанный технический результат достигается за счет того, что заявленная полезная модель состоит из двух антенн с линейной поляризацией, каждая из которых состоит из активных вибраторов, экрана, питающей коаксиальной линии, 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.
Широкополосная направленная антенна с двойной поляризацией содержит две антенны с линейной поляризацией, расположенных на одной плоскости, каждая из которых состоит из пары широкополосных симметричных активных вибраторов, плечи которых представляют собой проводящие пластины с двумя/тремя плоскостями симметрии, например диски диаметром около 0,46 длины волны на средней частоте и расположенных над общим, для обеих антенн, проводящим экраном на расстоянии 0,11 длины волны. При этом плечи вибраторов первой антенны являются плечами вибраторов второй антенны, а оси вибраторов первой антенны параллельны друг другу и перпендикулярны осям вибраторов второй антенны. Дополнительно в каждой антенне могут быть применены четыре, общих для обеих антенн, пассивных вибратора в виде проводящих пластин с двумя/тремя плоскостями симметрии, например диски диаметром 0,34 длины волны на средней частоте и расположенных над центрами плеч активных вибраторов на расстоянии 0,073 длины волны. К каждому активному вибратору подключен симметрирующий трансформатор. Выходы симметрирующих трансформаторов внутри пары параллельных вибраторов могут быть соединены с плечами делителя мощности, вход которого является входом одной антенны. Симметрирующий трансформатор представляет собой два отрезка симметричной линии одинаковой длины, причем они соединены на одном конце параллельно и могут быть подключены к плечу тройникового делителя мощности, а на другом соединены последовательно и подключены к входу активного вибратора. Тройниковый делитель мощности состоит из двух отрезков несимметричной линии передачи одинаковой длины, которые соединены друг с другом с одного конца параллельно, и образуют в этом соединении вход делителя, а другие концы являются входами плеч делителя и могут быть подключены к симметрирующим трансформаторам. Два симметрирующих трансформатора одной антенны и подключенный к ним делитель мощности могут быть реализованы на одной печатной плате. Печатные платы обеих антенн могут быть расположены друг над другом около уровня плеч активных вибраторов. Для защиты антенны от агрессивных воздействий на экран может быть закреплен диэлектрический кожух со стороны излучающих элементов или вся антенна может быть помещена в диэлектрический бокс.
Сущность полезной модели поясняется чертежами (Фиг. 1, Фиг. 2).
На Фиг. 1 представлен общий вид антенны, где:
1 - проводящие перемычки;
2 - плечи активных вибраторов;
3 - экран антенны;
4 - пассивные вибраторы;
5, 6 - держатель;
7, 8 - печатные платы;
9 - контактные площадки для питания плеч активных вибраторов;
10, 11 - контактные площадки входа первой антенны;
12 - оси вибраторов первой антенны;
13 - оси вибраторов второй антенны;
14 - защитный диэлектрический кожух антенны;
15 - диаметр диска/плеча активного вибратора;
16 - расстояние между экраном и активным вибратором;
17 - размер активного вибратора;
18 - расстояние между активными вибраторами;
19 - расстояние между активными и пассивными вибраторами;
20 - диаметр пассивных вибраторов;
21 - размер экрана.
На Фиг. 2 изображена двухсторонняя печатная плата одной из антенн с двумя симметрирующими трансформаторами, делителем мощности и частью питающей антенну коаксиальной линии, при этом черным цветом условно обозначены проводники верхнего проводящего слоя, а серым - нижние, где:
7 - печатная плата;
9 - контактные площадки для питания плеч активных вибраторов;
10, 11 - контактные площадки входа первой антенны;
22 - симметрирующий трансформатор;
23 - тройниковый делитель мощности;
24 - узкий проводник отрезка несимметричной линии передачи;
25 - отрезки симметричной линии передачи;
26 - общий широкий проводник отрезков несимметричной линии передачи;
27 - фрагмент питающей коаксиальной линии передачи;
28 - межслойные перемычки печатной платы.
Рассмотрим пример реализации широкополосной направленной антенны с двойной поляризацией, состоящей из четырех активных вибраторов, четырех пассивных вибраторов 4, четырех симметрирующих трансформаторов 22, держателей 5 и 6, двух делителей мощности, питающей коаксиальной линии 27, экрана 3 и защитного диэлектрического кожуха 14. Плечи активных вибраторов выполнены в виде проводящих дисков 2 диаметром 15, который равен (0,44÷0,47)⋅λ на средней частоте и расположены параллельно экрану 3 на расстоянии 16 равном 0,11⋅λ. Размер активного вибратора 17 составляет (0,98÷1,08)⋅λ, а расстояние между активными вибраторами 18 равно (0,65÷0,75)⋅λ на средней частоте. На расстоянии 19 равном 0,07⋅λ от плеч активных вибраторов параллельно расположены четыре пассивных вибратора в виде дисков 4 диаметром 20 равным (0,33÷0,36)⋅λ на средней частоте. При этом центр каждого из четырех дисков 4 расположен над центром одного из четырех дисков 2 и лежит с ним на одной оси перпендикулярной плоскости экрана 3. Диски пассивных вибраторов 4 прикреплены к дискам активных вибраторов при помощи держателей 5. Диски 2 активных вибраторов, в свою очередь, прикреплены к экрану 3 при помощи держателей 6. Каждое плечо активных вибраторов антенны имеет две проводящие перемычки 1, которые имеют контакт с контактными площадками 9. Питание активных вибраторов осуществляется через симметрирующие трансформаторы 22, каждый из которых выполнен из двух отрезков симметричной линии передачи 25 одинаковой длины, при этом отрезки 25 соединены на одном конце параллельно и подключены к плечу делителя мощности 23, а на другом соединены последовательно и подключены к контактным площадкам 9. При реализации антенны с тройниковым делителем мощности, он содержит два плеча в виде отрезков несимметричной линии передачи одинаковой длины, с одного конца подключенными друг к другу параллельно, а с другой стороны каждый отрезок подключен к отдельному симметрирующему трансформатору 22. Отрезки образованы узким 24 и широким 26 проводниками. В точке параллельного соединения отрезков установлены контактные площадки 11 и 10, которые имеют контакт с проводниками 24 и 26 соответственно. Контактные площадки 11 и 10 являются входом/выходом антенны и предназначены для подключения к ним коаксиальной линии передачи 27, или коаксиального разъема, или приемопередатчика. Размер 21 экрана 3 составляет (1,1÷1,9)⋅λ.
Экран, пассивные вибраторы, плечи активных вибраторов могут быть выполнены из листового металла с одинаковым способом обработки, а два симметрирующих трансформатора и один делитель мощности каждой антенны могут быть выполнены на единой печатной плате.
Антенна работает следующим образом:
при подаче ВЧ-сигнала на вход делителя 23 печатной платы 7, через контактные площадки 10 и 11, мощность сигнала делится поровну и в одинаковой фазе поступает через отрезки несимметричной линии, образованной проводниками 24 и 26 к симметрирующим трансформаторам 22 и далее через них по отрезкам симметричной линии 25, к контактным площадкам 9. Далее через перемычки 1 сигнал поступает на входы активных вибраторов. В результате пара активных вибраторов антенны, лежащих на осях 12, питаются синфазно, с равной амплитудой и вместе с пассивными вибраторами 4 и экраном 3 формируют излучение линейной поляризации, параллельной осям 12, от экрана 3 в сторону пассивных вибраторов 4. Ширина главного лепестка диаграммы направленности в горизонтальной плоскости (X0Z) в большинстве зависит от расстояния между активными вибраторами 18 и размеров экрана 21, а в вертикальной плоскости (Y0Z) от размеров экрана 21 и размера 17 активных вибраторов.
Аналогичным образом работает антенна, активные вибраторы которой лежат на осях 13, а вход/выход которой расположен на печатной плате 8.
В результате две антенны способны независимо друг от друга формировать излучение в одинаковом направлении, но с взаимно ортогональными поляризациями. Благодаря этому широкополосная направленная антенна с двойной поляризацией может работать одновременно с двумя приемниками или двумя передатчиками и обеспечивать работу системы связи, использующую поляризационное разделение каналов распространения радиоволн. Также данная система может быть использована в антифединговых системах с поляризационным разносом антенн.
Описанные варианты конструкций позволили получить следующие основные характеристики при реализации антенны в диапазоне частот 1700-2700 МГц:
коэффициент стоячей волны (КСВ) по входу антенны в вариантах согласовании с коаксиальными линией 50 Ом или 75 Ом не более 1.5;
коэффициент усиления в указанном диапазоне частот 12.5÷15.0 дБ по отношению к изотропному излучателю;
развязка между входами антенны более 30 дБ;
уровень бокового излучения не более - 12 дБ;
размеры антенны с учетом размеров кожуха 240×240×32 мм.
Указанный технический результат достигается за счет того, что плечи активных вибраторов одной антенны являются плечами активных вибраторов второй антенны, а также наличия в составе широкополосной направленной антенны с двойной поляризацией двух симметрирующих трансформаторов, подключенных к активным вибраторам.