Многослойная двухдиапазонная всенаправленная печатная антенна

Полезная модель относится к антенной технике и может использоваться для приёма и передачи радиосигнала с горизонтальной поляризацией во всех направлениях в азимутальной плоскости, в различных радиотехнических системах, в качестве элемента всенаправленной антенной решётки сотовой связи поколений 2-5G, для построения беспроводных локальных сетей Wi-Fi, для обеспечения связи с различными объектами.
Из уровня техники известна широкополосная всенаправленная печатная антенна, работающая в Е-плоскости, описанная в статье G.G. Zhang, H. Zhang, Z.L. Yuan, Z.M. Wang, D. Wang, A novel broadband E-plane omni-directional planar antenna, Journal of Electromagnetic Waves and Applications (2010), doi: 10.1163/156939310791036296. Она состоит из диэлектрической подложки, на которой располагается кольцевая антенная решётка из четырёх излучателей. Каждый излучатель состоит из двух расположенных с разных сторон диэлектрической подложки диполей в виде изогнутых по дуге проводников и линий питания. Диполи на верхней и нижней сторонах платы возбуждаются равноамплитудно и синфазно высокочастотным разъёмом.
Известна двухдиапазонная всенаправленная печатная антенна с комбинированным возбуждением, принятая за прототип (патент RU 210380 U1, МПК H01Q 5/00). Устройство, содержащее первую диэлектрическую подложку, на обеих сторонах которой расположено по четыре F-образных излучателя, образующих кольцевую антенную решётку, и вторую диэлектрическую подложку, на верхней стороне которой напечатано восемь пассивных аркообразных диполей, расположенных по двум окружностям различного диаметра. При этом пассивные диполи на верхней диэлектрической подложке находятся над плечами F-образных излучателей, расположенных на нижней диэлектрической подложке. Антенная решётка из F-образных излучателей возбуждается высокочастотным разъёмом, внешний проводник которого подключен к круглому электроду, соединяющему F-образные излучатели на нижней стороне первой диэлектрической подложки, а центральный проводник подключен к круглому электроду, соединяющему F-образные излучатели на верхней стороне платы. Пассивные аркообразные диполи возбуждаются электромагнитным полем, создаваемым излучающими элементами на нижней диэлектрической подложке.
Недостатком описанных выше аналога и прототипа является низкий коэффициент усиления в рабочих диапазонах частот. Это объясняется тем, что излучающие элементы имеют невысокий коэффициент усиления.
Техническая задача, решаемая полезной моделью, заключается в увеличении коэффициента усиления антенны в двух диапазонах частот.
3
4
4
3
Технический результат достигается за счет того, что многослойная двухдиапазонная всенаправленная печатная антенна, содержащая первую диэлектрическую плату, на нижней и верхней сторонах которой размещено по четыре F-образных излучателя, повёрнутых друг относительно друга на 90°, каждый из которых содержит линию питания в виде сектора окружности 5° и два изогнутых проводника, длины которых заданы длинами дуг, опирающимися на углы 39,3° и 40°, линии питания F-образных  излучателей подключены к высокочастотному разъему; вторую диэлектрическую плату, расположенную над первой, содержащую восемь пассивных диполей, четыре из которых с длиной, заданной длиной дуги, опирающейся на угол 70°, расположены по окружности радиусом L, а другие четыре с длиной, заданной длиной дуги, опирающейся на угол 43°, размещены по окружности радиусом L, причём L больше L; платы крепятся друг над другом с зазором с помощью диэлектрических втулок и шайб, согласно полезной модели, длина линии питания каждого F-образного излучателя, расположенного на первой диэлектрической плате, составляет 0,22 длины волны, а изогнутые проводники разнесены по линии питания на расстояние 0,045 длины волны и имеют ширину 0,032 и 0,011 длины волны; ширина диполей, расположенных на второй диэлектрической плате, составляет 0,016 и 0,021 длины волны; антенна дополнительно содержит третью печатную плату, на которой размещён массив из 45 ячеек, каждая из которых состоит из двух квадратных разомкнутых рамок, вложенных одна в другую и перевёрнутых одна относительно другой на 180°, с размерами сторон 0,044 и 0,03 длины волны, с вырезами в рамках и зазорами между рамками внутри одной ячейки 0,004 длины волны, причём расстояние между соседними ячейками составляет 0,03 длины волны; зазор между первой и второй диэлектрическими платами составляет 0,016 длины волны, а между второй и третьей диэлектрическими платами составляет 0,063 длины волны; внешний проводник высокочастотного разъёма замкнут на круглую площадку, диаметром 0,064 длины волны, а центральный проводник замкнут на круглую площадку диаметром 0,032 длины волны.
Техническим результатом полезной модели является увеличение коэффициента усиления антенны в обоих диапазонах частот.
Увеличение коэффициента усиления многослойной двухдиапазонной всенаправленной печатной антенны объясняется тем, что она содержит третью печатную плату, на которой размещен массив ячеек, состоящих из квадратных рамок, каждая из разомкнутых квадратных рамок в ячейке возбуждается электромагнитным полем, создаваемым кольцевой антенной решёткой из F-образных излучателей и пассивными диполями. Рамка большего размера резонирует на частоте близкой к первому диапазону (1,64…2,35 ГГц), а рамка меньшего размера резонирует на частоте, близкой ко второму диапазону частот (4,24…4,94 ГГц). Количество ячеек напрямую влияет на величину коэффициента усиления антенны.
Полезная модель поясняется рисунками (фиг. 1, 2), где на фиг. 1 приведена конструкция многослойной двухдиапазонной всенаправленной печатной антенны в изометрии; на фиг. 2 показаны: вид на многослойную антенну сбоку, нижняя и верхняя сторона диэлектрической платы 1, диэлектрическая плата 2, диэлектрическая плата 3.
1
2
1
2
3
4
3
4
1
2
Полезная модель состоит из трёх диэлектрических плат 1, 2 и 3 (фиг. 1). Диэлектрическая плата 1 содержит на верхней и нижней сторонах по четыре F-образных излучателя 4, размещённых друг над другом с угловым шагом в 90°, каждый из которых состоит из линии питания 5 длиной L - 0,22λ, форма которой задана сектором окружности с углом 5°, и двух проводников 6 и 7, разнесённых по линии питания на расстояние L - 0,045λ, (λ - длина волны в воздухе), длина которых выражается длинами дуг, опирающимися на углы α и α, равными 39,3° и 40° соответственно, а ширина проводников составляет 0,032λ и 0,011λ соответственно. Возбуждение излучателей на первой диэлектрической плате осуществляется с помощью высокочастотного разъёма 8 (фиг. 2), внешний проводник которого подключен к круглой площадке 9, которая имеет диаметр 0,064λ, а центральный проводник подключен к круглой площадке 10 диаметром 0,032λ. Диэлектрическая плата 2 содержит восемь пассивных аркообразных диполей 11 и 12, половина из которых располагается по окружности радиусом L - 0,15λ, а другая половина - по окружности радиусом L - 0,23λ. Пассивные диполи, размещённые по окружности радиусом L, имеют длину, заданную длиной дуги, опирающейся на угол 70°, и ширину 0,021λ. Длина диполей, размещённых по окружности радиусом L, задана длиной дуги, опирающейся на угол 43°, а их ширина составляет 0,016λ. Диэлектрическая плата 3 содержит массив из 45 ячеек 13, каждая из которых состоит из двух, вложенных друг в друга, разомкнутых квадратных рамок 14 и 15, причём одна из рамок перевёрнута относительно другой на 180°. Размер сторон рамок составляет s=0,044λ и s=0,03λ, вырез t для каждой из рамок и зазор g между вложенными друг в друга рамками составляет 0,004λ. Расстояние между соседними ячейками составляет 0,03λ. Воздушный зазор между диэлектрическими платами 1 и 2 составляет 0,016λ, а между платами 2 и 3 зазор равен 0,063λ. Платы крепятся друг над другом с помощью диэлектрических втулок 16 и шайб 17 (фиг. 1), вставляемых в отверстия 18, расположенные на каждой печатной плате.
Полезная модель работает следующим образом: при подаче радиосигнала на высокочастотный разъём 8 на F-образных излучателях 4, расположенных с обеих сторон платы 1, возникает электрический ток. Вблизи кольцевой антенной решётки из F-образных излучателей возникает электромагнитное поле, которое создаёт токи на пассивных диполях 11 и 12, расположенных на диэлектрической плате 2, и на ячейках метаповерхности, расположенной на диэлектрической плате 3. Кольцевая антенная решётка из F-образных излучателей работает в первом диапазоне частот, решётка из пассивных диполей работает во втором диапазоне частот, а метаповерхность увеличивает коэффициент усиления в обоих диапазонах частот. С помощью диэлектрических стержней 16 и шайб 17 устанавливается величина воздушных зазоров между диэлектрическими платами 1, 2 и 3. Изменяя высоту шайб 17, можно настроить величину коэффициента усиления антенны.
1
1
2
1
2
2
Пример. Конструкцию заявляемой многослойной двухдиапазонной всенаправленной печатной антенны можно выполнить из трёх пластин 1, 2, 3 (фиг. 1) фольгированного диэлектрика марки AD350A. На диэлектрической подложке 1 с каждой стороны расположено по четыре F-образных излучателя 4. Каждый излучатель состоит из линии питания 5 (фиг. 2) длиной 40 мм (L) и двух изогнутых диполей 6 и 7, длина которых задаётся длинами дуг, опирающимися на углы 39,3º (α) и 40º (α) соответственно, а ширина составляет 5,9 мм (w) и 2,1 мм (w) соответственно. Величина, на которую плечи 6 и 7 разнесены по линии питания 5 (фиг. 2), составляет 8,3 мм (L).
1
2
Решётка из F-образных излучателей возбуждается с помощью высокочастотного разъёма 8 (фиг. 2). Внешний проводник разъёма припаивается к круглой площадке 9 диаметром 11,7 мм (d), а центральный проводник припаивается к круглой площадке 10 диаметром 5,8 мм (d).
4
3
1
3
2
4
Печатная плата 2 содержит восемь пассивных полосковых диполей (фиг. 2), причём четыре диполя 11 расположены по окружности радиусом 42,4 мм (L), а другие четыре диполя 12 расположены по окружности радиусом 28,3 мм (L). Длина диполей 11 задаётся длиной дуги, опирающейся на угол 43º (β), а их ширина составляет 2,9 мм (w). Длина диполей 12 задаётся длиной дуги, опирающейся на угол 70º (β), а их ширина составляет 3,9 мм (w).
1
2
Печатная плата 3 содержит массив из 45 ячеек 13 (фиг. 2). Каждая ячейка представляет собой две квадратные рамки 14, 15 (фиг. 2), вложенные друг в друга. Длина сторон рамок 14, 15 составляет 8 мм (s) и 5,2 мм (s) соответственно, величина выреза в каждой рамке составляет 0,7 мм (t), зазор между вложенными друг в друга рамками 0,7 мм (g). Расстояние между соседними ячейками (фиг. 2) составляет 5 мм (p).
1
2
Воздушный зазор между диэлектрическими платами 1 и 2 (фиг. 2) составляет 3 мм (h), а между платами 2 и 3 он равен 11,5 мм (h). Платы крепятся друг над другом с помощью диэлектрических втулок 16 и шайб 17 (фиг. 1), вставляемых в отверстия 18, расположенные на каждой печатной плате.
В заключении стоит отметить, что предлагаемая полезная модель ввиду оригинальной конструкции работает в двух широких диапазонах частот 35.5% и 15,3% (по уровню КСВН≤2) и обладает повышенным коэффициентом усиления в этих диапазонах.