НАПРАВЛЕННАЯ АНТЕННА

Полезная модель относится к области телекоммуникаций и может быть использована для улучшения качества распространения сигналов Wi-Fi, например, в условиях жилых и нежилых помещений разной этажности в пределах одного этажа или в общественных местах, где требуется большая площадь покрытия Wi-Fi сигналом.
Из существующего уровня техники известна секторная антенная решетка (патент на изобретение РФ 2206948, опубликован 20.06.2003). В отличие от предлагаемой полезной модели, секторная антенная решетка используется для телевизионного вещания, имеет возможность работы только в одной поляризации.
Известна также секторная антенна для базовых станций с двумя поляризациями (патент US 6072439, опубликован 06.06.2000). В отличие от предлагаемой полезной модели, данная секторная антенна предназначена для уличного использования и не может использоваться на частотах Wi-Fi.
Известна многопротокольная антенна (патент на изобретение РФ 2494503, опубликован 27.09.2013), работающая в диапазоне частот Wi-Fi. Недостатками данной антенны являются невысокий коэффициент усиления, узкая диаграмма направленности.
Наиболее близким по достигаемому результату является механически реконфигурируемая антенна для беспроводных точек доступа (US 2005168387, прототип), где предлагается дополнить штатные антенные точки доступа уголковыми рефлекторами для концентрации излучения всенаправленной антенны в одном направлении. Достигаемый при этом эффект схож с предлагаемым изделием. Но прототип имеет следующие недостатки: диаграмма направленности данной антенной системы не подходит для решения поставленной технической задачи. Вследствие чего приемное устройство точки доступа по-прежнему хорошо может принимать сигналы точек доступа расположенных этажами выше и этажами ниже. Кроме того, суммарный коэффициент усиления составляет 6-12 дБ. В предлагаемой полезной модели он составляет от 13 до 14 дБ. Помимо вышеперечисленного, способ установки уголкового отражателя исключает полноценное использование MIMO (Multiple Input Multiple Output) технологии, где осуществляется пространственное разделение каналов по разным поляризациям. В предлагаемой полезной модели такой недостаток отсутствует.
Техническим результатом заявленной полезной модели является улучшение уровня Wi-Fi сигнала. Уровень Wi-Fi сигнала увеличивается за счет концентрации излучения в заданном направлении, что влечет за собой увеличение дальности, скорости передачи данных и стабильности сигнала без увеличения мощности излучения, а также снижение уровня помех и шумов в передаваемом сигнале.
Технический результат достигается за счет того, что полезная модель содержит четыре вертикально расположенных излучающих антенных элемента, имеющих возможность работать в двух поляризациях и выполненных в виде планарных излучателей, формирующих узкую диаграмму направленности сигнала частот Wi-Fi в вертикальной плоскости и широкую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости.
За счет узкой диаграммы направленности в вертикальной плоскости происходит концентрация излучения сигнала без подвода дополнительной мощности и увеличивается коэффициент направленного действия. Соответственно, пропорционально увеличивается дальность распространения сигнала и коэффициент усиления.
За счет широкой диаграммы направленности в горизонтальной плоскости расширяется площадь зоны покрытия Wi-Fi сигналом. Сигнал от направленной антенны распространяется на пользовательские устройства, расположенные в пределах одного этажа. Пользовательские устройства, расположенные этажом выше или этажом ниже, сигнала от направленной антенны не обнаруживают и не вносят помех в Wi-Fi сеть. В свою очередь, направленная антенна благодаря широкой диаграмме направленности в горизонтальной плоскости, не обнаруживает Wi-Fi сети на других этажах здания. Стабильный Wi-Fi сигнал с низким уровнем шумов и помех позволяет роутеру и пользовательским устройствам существенно увеличить скорость передачи данных.
Двухполяризационные антенные излучатели позволяют применять технологию MIMO и существенно увеличить скорость передачи данных.
Планарные излучающие элементы обеспечивают высокие технические показатели при малых габаритных размерах, массе и стоимости изготовления.
Высокий коэффициент усиления антенны позволяет увеличить дальность передаваемого Wi-Fi сигнала. Диаграмма направленности антенны узкая в вертикальной плоскости и широкая в горизонтальной, позволяет покрыть Wi-Fi сигналом пространство большой площади. Мощность излучения антенны остается на прежнем уровне, а увеличение зоны покрытия обеспечивается за счет концентрации излучения сигнала в заданном направлении. Применение технологии MIMO значительно увеличивает скорость передачи данных.
Таким образом, направленная антенна в отличие от наиболее близких аналогов и прототипов имеет более высокий коэффициент усиления, пространственное разделение каналов по поляризациям для полноценного использования MIMO технологии, работает в диапазоне частот Wi-Fi, и обладает диаграммой направленности необходимой для достижения технического результата.
Заявляемая полезная модель поясняется схемами. На Фиг. 1 изображена типовая квартира многоквартирного дома и один из вариантов размещения направленной антенны с точкой доступа, где: 1 - направленная антенна с точкой доступа; 2 - входная дверь в квартиру; 3 - зона покрытия помещения Wi-Fi сигналом от направленной антенны.
На Фиг. 2 изображена проекция распространения излучаемого направленной антенной сигнала, являющаяся техническим результатом полезной модели, где: 1 - направленная антенна с точкой доступа; 2 - входная дверь в квартиру; 3 - зона покрытия помещения Wi-Fi сигналом от направленной антенны.
На Фиг. 3 изображен разнесенный вид одного из вариантов исполнения Wi-Fi антенны, где: 4 - двусторонняя печатная плата антенны; 5 - излучающие элементы (излучатели); 6 - корпус антенны; 7 - разъемы для подключения кабелей питания и передачи данных; 8 - защитная крышка с нанесенными на нее планарными пассивными вибраторами; 9 - панели торцевые.
На Фиг. 4 изображен общий вид одного из вариантов исполнения Wi-Fi антенны.
На Фиг. 5 показан один из вариантов исполнения топологии печатной платы планарной секторной щелевой антенной решетки, где: 4 - двусторонняя печатная плата; 5 - двухполяризационные щелевые излучающие элементы (щелевые вибраторы); 10 - питающие микрополосковые линии; 11 - приемопередающий модуль и электрорадиоэлементы маршрутизатора.
Заявленное устройство может представлять собой антенну, совмещенную с точкой доступа, роутером, либо являться отдельным устройством - антенной с диаграммой направленности отвечающей условиям получения технического результата.
В одном из частных вариантов исполнения, полезная модель состоит из секторной антенны, расположенной вертикально, Wi-Fi модуля и (или) приемо-передатчика роутера имеющего разъемы для подключения кабелей для передачи данных и питания устройства, световые индикаторы режимов работы, защитного корпуса из проводящего или непроводящего материала и лицевую панель из радиопрозрачного материала с нанесенными на нее планарными директорами.
Основным элементом антенны является печатная плата 4 (см. Фиг. 5), выполненная из диэлектрического материала с нанесенными на нее металлизированными активными щелевыми двухполяризационными вибраторами 5 с одной стороны и питающих их микрополосковых линий 10 с другой. Активные щелевые вибраторы 5 (см. Фиг. 5) представляют собой крестообразные прорези в металлизации печатной платы и имеют длину около 0,5λ, где λ - длина волны излучаемого сигнала на рабочей частоте. Активные вибраторы расположены друг от друга на расстоянии около 0,5λ и соединены с приемопередающим модулем 11, а также синфазно между собой посредством емкостной связи микрополосковыми линиями питания 10. Активные вибраторы имеют возможность работать в двух ортогональных плоскостях линейной поляризации, плоскости которых расположены под углом 45° к продольной оси антенны. Это позволяет обеспечить функционирование двух приемно-передающих каналов, предназначенных для пространственного разнесения каналов по поляризациям и полноценного использования MIMO технологии.
Для расширения рабочей полосы частот и формирования необходимой диаграммы направленности над активными щелевыми вибраторами могут быть расположены пассивные вибраторы прямоугольной или иной формы, имеющие размеры 0,4λ, расположенные параллельно активным на высоте около 0,12λ на печатной плате 8 (см. Фиг. 3 и Фиг. 4), являющейся одновременно защитной крышкой корпуса антенны.
Плата антенны 4 установлена вдоль продольной оси проводящего корпуса 6 (см. Фиг. 3) на расстоянии 0,2λ от дна корпуса, являющегося также отражателем антенны. Крепление платы 4 в корпусе 6 осуществляется за счет размещения платы, в пазах корпуса. С лицевой стороны корпус имеет прямоугольные окна размерами 0,9λ*0,9λ, расположенные точно над активными излучающими вибраторами. Данные окна, в свою очередь, закрываются панелью 8, представляющей собой печатную плату из радиопрозрачного материала с нанесенными на нее с одной стороны паразитными проводящими вибраторами, расположенными точно над активными, и имеющими размеры, как уже было сказано, 0,4λ*0,4λ. Корпус с торцов закрывается декоративными панелями 9 из проводящего или непроводящего материала.
Рассмотрим работу одного из частных вариантов исполнения предлагаемого устройства, показанного на Фиг. 3-5 на прием.
За счет линейного расположения четырех антенных элементов, состоящих из активных вибраторов 5 и пассивных 8 на расстоянии 0,5λ друг от друга, у антенны формируется секторная диаграмма направленности, обеспечивающая пространственную фильтрацию принимаемого сигнала. Падающая электромагнитная волна преимущественно под углами ±35° в горизонтальной плоскости и ±12° в вертикальной возбуждает в массиве синфазно-соединенных вибраторов 5 секторной антенны токи высокой частоты. За счет синфазного соединения вибраторов, наведенный сигнал суммируется и по микрополосковым проводникам 10 поступает на вход радиомодуля Wi-Fi роутера 11, где он преобразуется в цифровую информацию.
При работе устройства на передачу, с цифрового устройства (ЭВМ и т.п.) передается информация на вход Wi-Fi роутера 11. Полученный в результате преобразования сигнал с выхода радиомодуля Wi-Fi роутера 11 по микрополосковым печатным проводникам 10 попадает на антенные элементы секторной антенны, образованные активными щелевыми вибраторами 5 и пассивными 8, которые работают синфазно и возбуждают в пространстве электромагнитную волну, преимущественно под углами ±35° в горизонтальной плоскости и ±12° в вертикальной, что обеспечивает достижение технического результата.