ШИРОКОПОЛОСНАЯ НАПРАВЛЕННАЯ АНТЕННА С ДВОЙНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ

Полезная модель относится к антенной технике и может быть использована в качестве приемопередающей антенны в системах беспроводной связи GSM, UMTS, WIFI, LTE.
Из существующего уровня техники известен патент US 6597324 B2 «Single piece element for a dual polarized antenna» (опубликован 22.08.2003). Антенная система включает в себя множество вибраторных элементов, выполненных из единого куска материала. Диполи закреплены на плате рефлектора с единым опорным основанием и выполнены в виде состыкованных горизонтально или вертикально излучающих элементов.
Выводы питания расположены между центром единого куска материала и плечами вибраторных элементов и загнуты под углом чтобы сформировать оси симметрии в центре щелей, разделяющих элементы вибраторного ряда для ослабления излучения, вызванного током, протекающим вокруг прорезей.
Главным недостатком данной антенны является низкий коэффициент усиления.
В качестве ближайшего прототипа рассмотрим широкополосную направленную антенну с двойной поляризацией (патент на полезную модель № RU 169151 от 18.05.2016), представляющую собой две антенны с линейной поляризацией, расположенных на одной плоскости, каждая из которых состоит из пары широкополосных симметричных активных вибраторов, плечи которых представляют собой проводящие 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 применены четыре общих для обеих антенн, пассивных вибратора в виде дисков 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 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 подключены к симметрирующим трансформаторам. Два симметрирующих трансформатора одной антенны и подключенный к ним делитель мощности могут быть реализованы на одной печатной плате. Печатные платы обоих антенн могут быть расположены друг над другом около уровня плеч активных вибраторов.
К недостаткам данной антенны можно отнести использование печатных плат в составе антенны.
Технической задачей заявляемой полезной модели является устранение вышеуказанных недостатков.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является упрощение схемы питания широкополосной антенны, работающей в двух ортогональных поляризациях, без применения печатных плат.
Для достижения указанного технического результата предлагается широкополосная направленная антенна с двойной поляризацией, содержащая 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, а схема питания вибраторов каждой антенны выполнена на отрезках двухпроводной линии передачи, соединяющих входы вибраторов и несимметричную линию передачи.
Широкополосная направленная антенна с двойной поляризацией содержит две антенны с линейной поляризацией, каждая из которых состоит из, по крайней мере, двух широкополосных симметричных активных вибраторов, плечи которых представляют собой проводящие пластины, и расположенных над общим, для обеих антенн, проводящим экраном. 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 и расположенных примерно над центрами плеч активных вибраторов. Схема питания вибраторов каждой антенны является параллельной и выполнена на отрезках двухпроводной линии передачи, соединяющих входы вибраторов и несимметричную линию передачи. При этом отрезки двухпроводной линии передачи одной антенны, в точке соединения с несимметричной линией передачи, находятся выше над экраном, чем отрезки двухпроводной линии другой антенны.
В месте соединения несимметричной линии передачи с двухпроводными линиями, в каждой антенне может быть использовано симметрирующее устройство и/или согласующее устройство. Плечи активных элементов, двухпроводные линии питания, пассивные вибраторы, симметрирующие и согласующие устройства и несимметричные линии передачи могут быть выполнены из листового металла. Для защиты антенны от внешних 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.
На фигуре 1 представлена излучающая часть антенны, где:
1, 3, 13, 16 - плечи активных вибраторов;
5, 14, 15, 17 - оси активных вибраторов;
2, 4, 9, 11 - пассивные вибраторы;
6, 7, 10, 12 - входы активных вибраторов;
8 - экран антенны;
На фигуре 2 частично представлен пример схемы питания антенны с использованием симметрирующих устройств в виде короткозамкнутых (К.З.) мостов, причем к месту соединения двух отрезков двухпроводной линии передачи одной из антенн подключено два К.З. мостика через перемычки, где:
18, 20, 41, 42 - проводники нижних отрезков двухпроводной линии;
19, 43 - выходы схемы питания, подключаемые к входам активных вибраторов
6, 12 соответственно;
21, 27 - выходы схемы питания, подключаемые к входам активных вибраторов 10, 7 соответственно;
22, 23, 26, 31 - проводники верхних отрезков двухпроводной линии;
24, 29 - перемычки;
25, 32 - зажимы для подключения несимметричной линии передачи;
28, 30, 33, 34, 35, 36, 37, 40 - проводники короткозамкнутых мостов;
38, 39 - проводники короткозамкнутого моста;
44 - фрагмент экрана антенны.
На фигуре 3 частично представлен альтернативный вариант схемы питания с использованием трех К.З. мостов, при этом конструкция двух К.З. мостов упрощена и они подключены к отрезкам двухпроводной линии без перемычек.
На фигуре 4 частично представлен еще один альтернативный вариант схемы питания антенны с двумя К.З. мостами.
С целью согласования антенны с питающей линией передачи зажимы 25 и 32 могут быть расположены не только на стыке отрезков двухпроводной линии передачи, но и на перемычках 24 и 29, на проводниках К.З. мостов.
Широкополосная антенна с двойной поляризацией состоит из четырех активных вибраторов, образованных плечами 1, 3, 13, 16, четырех пассивных вибраторов 2, 4, 9, 11, четырех отрезков двухпроводной линии передачи, образованные соответственно проводниками 18, 20, 41, 42 и 22, 23, 26, 31, двух симметрирующих устройств, образуемых соответственно проводниками 36, 37, 28, 33, 30, 35, 34, 40 и 38, 39, а также двумя несимметричными линиями передачи (на фигурах не показаны). Плечи активных вибраторов и пассивные вибраторы выполнены в виде проводящих пластин. При этом центр каждого из пассивных вибраторов расположен примерно над центром одного из плеч активных вибраторов. Входы 6, 12 и 7, 10 активных вибраторов подключаются к выходам 19, 43 и 27, 21 схемы питания антенны, при этом отрезки двухпроводной линии передачи, подключенные к выходам 19 и 43 расположены ниже остальных отрезков двухпроводной линии. К зажимам 25 и 32 расположенным на стыках отрезков двухпроводной линии передачи или на проводниках симметрирующих устройств, одним концом подключаются несимметричные линии передачи. Нижние концы проводников 34, 36, 37, 40 и 38, 39 имеют электрический контакт с экраном, либо могут не иметь контакт с экраном, но в этом случае нижние концы проводников образующих один К.З. мост должны быть электрически замкнуты между собой.
С целью повышения технологичности антенны - экран, активные и пассивные вибраторы, отрезки двухпроводной линии передачи, несимметричные линии передачи, а также проводники симметрирующих устройств могут быть выполнены из листового металла с одинаковым способом обработки.
Жесткость конструкции может быть повышена применением держателей, которые поддерживают плечи активных вибраторов и пассивные вибраторы над экраном на требуемом расстоянии, отрезки двухпроводных линий передач, несимметричные линии передачи.
Широкополосная антенна с двойной поляризацией работает следующим образом:
При подаче ВЧ-сигнала в одну несимметричную линию передачи, сигнал распространяется к зажимам 25 и далее через отрезки двухпроводной линии образованными проводниками 22, 23 и 26, 31 попадает на входы активных вибраторов 10 и 7 соответственно. Длины отрезков двухпроводной линии передачи примерно одинаковы, что обеспечивает синфазное и равно амплитудное возбуждение активных вибраторов, образованных плечами 1, 16 и 3, 13. Активные вибраторы вместе с пассивными вибраторами 2, 4, 9, 11 и экраном 8 формируют излучение линейной поляризации, параллельной осям 17 и 14, от экрана 8 в сторону пассивных вибраторов.
Аналогичным образом работает антенна, у которой активные вибраторы, образованны плечами 1, 3 и 16, 13, и которые лежат на осях 5 и 15, питаемые от другой несимметричной линии, через зажимы 32 и далее через отрезки двухпроводной линии передачи, образованные проводниками 18, 20 и 41, 42. Поляризация излучаемого поля при этом параллельна осям 5 и 15.
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.
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 коаксиальной линией 50 Ом не более 1.5;
коэффициент усиления в указанном диапазоне частот 12.5÷16.0 дБ по отношению к изотропному излучателю;
развязка между входами антенны более 25 дБ;
уровень бокового излучения не более 12.5 дБ;
размеры антенны с учетом размеров кожуха 240 мм·240 мм·50 мм.