ДВУХПОЛЯРИЗАЦИОННАЯ ДИПОЛЬНАЯ АНТЕННА
DUAL-POLARIZED DIPOLE ANTENNA

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в системе радиосвязи оперативного развертывания для многопотоковой передачи данных (MIMO).
Уровень техники
Известна группа антенн с кросс-поляризацией, производства компании KATHREIN. Упомянутые XPol антенны состоят из двух независимых дипольных систем, симметрично расположенных вдоль отражающего экрана. Распределение мощности между диполями и трансформация импедансов обеспечиваются кабельной разводкой с малыми потерями. Высокий уровень развязки между входами системы, не менее 35 dB, позволяет упомянутым антеннам работать в режиме дуплекса, где допускаемая минимальная развязка составляет 30 dB.
Известны двухполяризационные дипольные антенны, выпускаемые упомянутой компанией, работающие в диапазоне 450 МГц и предназначенные для использования в системах сотовой связи. Преимущество этих антенн перед традиционными панелями состоит в том, что на базе каждой такой антенны можно реализовать не только прием и передачу, но и разнесенный прием, благодаря чему подобная антенна одна может заменить до трех традиционных панельных антенн.
Одна из таких антенн, конструкция которой раскрыта в патенте US 6313809, МПК: H01Q 21/26, опубл. 06.11.2001, принята в качестве наиболее близкого аналога для предлагаемого технического решения.
Ближайший аналог характеризуется следующими признаками, сходными с существенными признаками предлагаемой антенны, а именно: наличием рефлектора и излучающей части, далее - излучателя, состоящего из двух центрально-симметричных ортогональных диполей, лежащих в плоскости, параллельной рефлектору. Плечи диполей сформированы, каждое, парой проводников, симметрично изогнутых относительно продольной оси диполя. Проводники замкнуты между собой одним концом в точке питания и имеют между вторыми концами зазор, образующий разрыв контура плеча. Начальный, примыкающий к точке питания, участок каждого проводника пары выполнен прямолинейным и параллельным соседнему с ним начальному участку проводника второго диполя и концевому, примыкающему к зазору, участку второго проводника пары.
В известной конструкции каждое плечо представляет собой квадратный контур, ориентированный к центру диполя одной из своих вершин, к которой подведено питание, и выполненный с разрывом в углу, противолежащем точке питания. Рефлектор, выполненный в виде сплошного алюминиевого листа, является несущей конструкцией для излучающей части, полностью закрытой сверху радиопрозрачным пластиковым обтекателем.
Ближайший аналог характеризуется высоким уровнем развязки между входами системы, как в случае использования одного излучателя, так и в случае использования решетки излучателей.
Существенным недостатком ближайшего аналога является сравнительно узкий рабочий диапазон 430-580 МГц. К недостаткам следует также отнести большой вес и парусность антенны, обусловленные конструкцией рефлектора.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение рабочей полосы, иначе полосы пропускания антенны, при сохранении высокого уровня развязки между входами диполей.
Раскрытие изобретения
Поставленная задача решена благодаря усовершенствованиям известной двухполяризационной дипольной антенны, содержащей излучатель из двух ортогональных диполей, размещенных в плоскости, параллельной рефлектору, плечи которых (диполей) сформированы, каждое, парой проводников, симметрично изогнутых относительно продольной оси диполя, замкнутых между собой в точке питания одним концом и имеющих между вторыми концами зазор, образующий разрыв контура плеча, при этом начальный, примыкающий к точке питания, участок каждого проводника пары выполнен прямолинейным и параллельным начальному участку соседнего с ним проводника второго диполя и концевому, примыкающему к зазору, участку второго проводника пары.
Упомянутые усовершенствования известной антенны, согласно заявляемому изобретению, заключаются в том, что начальные участки проводников выполнены с длиной L=(0,07-0,15)⋅λcр, где λср - длина волны, соответствующая средней частоте частотного диапазона, при этом начальный и концевой участки каждого проводника соединены между собой промежуточным участком.
Промежуточный участок может быть выполнен прямолинейным или дугообразным.
Частотный диапазон и его средняя частота задаются изначально при конструировании антенны.
Под частотным диапазоном понимается выделенная область частот, в которой должна работать антенна.
Т.к. изобретение направлено на улучшение показателей известной антенны, то в качестве заданного частотного диапазона принят рабочий диапазон антенны - ближайшего аналога.
Частотный диапазон и его средняя частота во многом определяются геометрией излучателя и его предельными размерами (габаритами), которые соответствуют размаху плеч диполей, их продольным размерам (по оси диполя).
Существенным отличием предлагаемой антенны от ближайшего аналога является измененная форма плеч диполей. Если в ближайшем аналоге контур плеча диполя представляет собой квадрат, то в предлагаемой конструкции углы (вершины) контура плеча, расположенные между точкой питания и разрывом, срезаны либо скруглены за счет введения промежуточных участков проводников. Упомянутые изменения позволили сохранить основную геометрию антенны и габариты излучателя, а именно продольные размеры диполей, обеспечив при этом уменьшение длины параллельных соседних (смежных) участков плеч диполей и существенное улучшение согласования диполей с питающим кабелем.
Проведенные исследования (см. примеры ниже) подтверждают, что в указанных пределах длины параллельных соседних участков плеч диполей, соответствующей (0,07-0,15)⋅λср, где λcр - длина волны на средней частоте диапазона, обеспечивается улучшение согласования диполей с питающим кабелем и расширение рабочей полосы частот.
Таким образом, вышеупомянутая совокупность отличительных признаков позволила сохранить основную геометрию антенны и высокий уровень развязки и при этом получить новый технический результат, который заключается в улучшении согласования диполей с питающим кабелем и расширении рабочей полосы частот.
Под рабочей полосой, иначе полосой пропускания, понимается диапазон частот (внутри выделенного диапазона), на которых антенна работает эффективно.
Питание диполей осуществляется коаксиальными кабелями через короткозамкнутые симметрирующие устройства.
В предпочтительном примере реализации конструкция предлагаемой антенны характеризуется тем, что точки питания диполей и симметрирующие устройства герметично закрыты диэлектрическим корпусом. Благодаря тому, что диэлектрический корпус закрывает не всю излучающую часть, а только ее наиболее уязвимые элементы, подверженные наибольшему влиянию атмосферных осадков и механическому воздействию, обеспечивается возможность выполнения рефлектора из ячеистой сетки, закрепляемой на силовом каркасе. В такой конструкции достигается существенное снижение парусности и веса антенны.
Возможность промышленной осуществимости предлагаемого технического решения и достижение вышеупомянутых технических результатов подтверждается приведенными ниже примерами и чертежами, на которых изображены:
на фиг. 1 - пример антенны, выполненной согласно предлагаемому изобретению;
на фиг. 2 - излучатель антенны с фиг. 1;
на фиг. 3 - показаны два возможных варианта исполнения плеч диполей: с прямолинейным промежуточным участком (а), и с дугообразным промежуточным участком (в).
на фиг. 4 - четырехэлементная антенная решетка, выполненная с использованием предлагаемого изобретения;
на фиг. 5 - вид А с фиг. 4;
на фиг. 6 - приведена таблица значений КСВ для антенн с прямолинейным промежуточным участком;
на фиг. 7 - приведена таблица значений КСВ для антенн с дугообразным промежуточным участком;
на фиг. 8, 10, 12, 14, 16, 18 - примеры антенн, данные испытаний которых приведены в таблицах фиг. 6-7, а на фиг. 9, 11, 13, 15, 17, 19 показаны соответствующие примерам графики зависимостей КСВ от частоты.
Осуществление изобретения
Двухполяризационная дипольная антенна содержит (см. фиг. 1) излучатель, состоящий из двух идентичных центрально-симметричных ортогональных диполей 1 и 2, размещенных в одной условной плоскости, параллельной рефлектору 3, выполненному из токопроводящей ячеистой сетки, закрепленной на силовом каркасе 4.
Каждый диполь, иначе симметричный вибратор, (см. фиг. 2) имеет два симметрично расположенных относительно центра конструкции плеча: 5 и 6 (диполь 1), 7 и 8 (диполь 2).
Каждое плечо 5, 6, 7, 8 состоит (см. фиг. 3) из двух проводников 9 и 10, симметрично изогнутых относительно продольной оси диполя (показана осевой линией на фиг. 2 и 3). Проводники 9 и 10 замкнуты между собой одним концом в точке питания 11, а между вторыми концами проводников выполнен зазор 12, образующий разрыв контура плеча.
Каждый проводник (9, 10) можно условно разделить на три участка: начальный участок 13, примыкающий к точке питания 11, конечный - 14, примыкающий к зазору 12 и соединяющий их промежуточный (средний) участок 15.
Участки 13 и 14 проводников 9 и 10 выполнены прямолинейными. При этом участок 13 проводника 9 параллелен участку 14 проводника 10, а участок 13 проводника 10 параллелен участку 14 проводника 9.
По сути, форма плеча соответствует форме квадрата со срезанными (см. фиг. 3a) или скругленными углами (см. фиг. 3в). В первом случае промежуточный участок 15 (фиг. 3a) выполнен прямолинейным, во втором случае (фиг. 3в) участок 15 выполнен по дуге.
Вместе с тем начальные участки 13 проводников 9 и 10 каждого плеча (5 и 6) первого диполя параллельны соседним с ними участкам проводников плеч 7 и 8 второго диполя (см. фиг. 1, 2). Длина L параллельных начальных участков 13 составляет (0,07-0,15)⋅λcр, где λcр - длина волны, соответствующая средней частоте диапазона.
Диполи (1, 2) запитаны от коаксиальных кабелей через короткозамкнутые симметрирующие устройства (на чертежах не показаны).
Точки питания 11 диполей и симметрирующие устройства, как наиболее подверженные влиянию атмосферных осадков и механического воздействия, герметично закрыты диэлектрическими корпусами 16, например, как показано на фиг. 4-5, где приведен пример реализации четырехэлементной антенной решетки на базе предлагаемой антенны.
Для повышения жесткости конструкции плечи диполей в вершинах, противолежащих точкам питания, могут быть оперты на рефлектор 3 через диэлектрические стойки 17.
Антенна работает следующим образом. Каждый диполь 1 и 2 возбуждается сигналом от своего радиопередатчика и в совокупности с рефлектором 3 создает направленное электромагнитное поле. Благодаря тому что антенна состоит из двух диполей, развернутых  относительно друг друга на 90°, в пространстве формируется два поля с взаимно перпендикулярной поляризацией. Диполь 2 излучает горизонтально поляризованную волну. Диполь 3 излучает вертикально поляризованную волну.
Проведенные изменения формы плеч диполей позволили сохранить высокий уровень развязки и добиться существенного улучшения согласования диполей с питающим кабелем, что позволило расширить полосу пропускания, преимущественно, в область верхних частот.
На практике полоса пропускания обычно определяется по уровню КСВ - коэффициента стоячей волны, который характеризует качество согласования антенны с линией передачи.
Допустимые значения КСВ в полосе рабочих частот для различных устройств регламентируются в ГОСТах и технических условиях. Приемлемые значения КСВ лежат в пределах от 1,0 до 2,0. В радиорелейной технике предпочтительными являются значения КСВ 1,6÷1,8.
В таблицах 1 и 2 (см. фиг. 6-7) приведены экспериментально полученные данные значений КСВ для антенн с различными длинами L начальных участков 13 проводников 9 и 10.
В таблице 1 приведены данные испытаний антенн с прямолинейными промежуточными участками 15 проводников, а в таблице 2 - данные испытаний антенн с промежуточными участками 15, выполненными по дуге.
На фиг. 8, 10, 12, 14, 16, 18 показаны примеры тестируемых антенн, а на фиг. 9, 11, 13, 15, 17, 19 - соответствующие примерам графики зависимостей КСВ от частоты.
н
cp
в
Измерения производились на нижних F, средних F и верхних F частотах рабочего диапазона с последующим определением среднего значения коэффициента КСВ.
В первых строчках таблиц 1 и 2 (пример 1) приведены данные испытаний антенны-прототипа, где промежуточный участок 15 отсутствует.
Как видно из таблиц 1 и 2, для обоих случаев исполнения излучателей допустимый уровень КСВ≤2 получен в пределах длин L=(0,07-0,15)⋅λср.
Как показали проведенные испытания, предложенная форма излучателей позволила сохранить высокий уровень развязки между сигналами и добиться значительного расширения полосы пропускания.
Полосу пропускания можно охарактеризовать коэффициентом перекрытия, который, согласно ГОСТу 24375-80, представляет собой отношение наибольшей рабочей частоты к наименьшей рабочей частоте.
Для предлагаемой антенны коэффициент перекрытия по уровню КСВ≤1,6 составляет 1,65, что значительно выше, чем в ближайшем аналоге, где упомянутый коэффициент равен 1,35.
Все вышесказанное действительно как для антенн с одиночным излучателем, так и для антенных решеток (см. фиг. 4-5), содержащих множество излучателей, выполненных согласно предлагаемому изобретению.
В приведенных примерах излучатель изготовлен из металлического трубчатого профиля, однако это не исключает возможности использования иного профиля, а также возможности изготовления излучателя с применением планарной технологии.
В приведенных на чертежах примерах диполи излучателей ориентированы для приема и излучения вертикальных и горизонтальных поляризованных волн. Однако предлагаемое решение может быть использовано для приема и излучения наклонно поляризованных волн, при соответствующей установке антенны с расположением осей диполей под углом +45° и -45°.
На базе предлагаемой антенны можно реализовать прием и передачу сигналов, а также разнесенный прием. Антенна позволяет заменить до трех традиционных панельных антенн, что позволяет экономить посадочные места на антенных мачтах и наращивать число каналов на базовой станции без аренды дополнительных антенных сооружений.
Выполнение рефлектора 3 из ячеистой токопроводящей сетки позволяет снизить парусность антенны и ее вес. Размер ячеек и диаметр проволоки сетки определяются, исходя из требуемого обратного излучения в рабочем диапазоне частот, по известным графическим зависимостям (см. кн. Г.З. Айзенберг. Антенны ультракоротких волн. Связьиздат, 1957 г., с. 555).