ДВУХРЕЗОНАНСНАЯ АНТЕННА (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к антенной технике и может быть использована для усиления сигналов сотовой связи и в системах передачи данных в качестве абонентской антенны.
Из существующего уровня техники известна двухдиапазонная антенна №2183372 от 19.12.1997 (опубликована 10.06.2002), которая состоит из катушки индуктивности, двух стержнеобразных излучающих элементов, подсоединенных к противоположным концам катушки индуктивности, диэлектрического материала, окружающего катушку индуктивности, часть первого излучающего элемента, соединена с одним концом катушки индуктивности, и часть указанного второго излучающего элемента, соединена с другим концом указанной катушки индуктивности, проводящего поддерживающего корпуса, окружающего диэлектрического материала и удерживающего катушку индуктивности и части первого и второго излучающих элементов, которые соединены с ее соответствующими концами. Проводящий поддерживающий корпус окружает диэлектрик и поддерживает катушку индуктивности и присоединяющие части первого и второго излучающих элементов. Корпус и диэлектрик создает емкость так, чтобы был сформирован резонансный LC-контур вместе с катушкой индуктивности. LC-схема разработана так, что только один излучающий элемент излучает в диапазоне более высоких частот двухполосного рабочего диапазона частот, в то время как оба излучающих элемента излучают в диапазоне более низких частот.
Недостатками описанного устройства являются:
- наличие диэлектрических материалов вблизи излучателей и линии питания, что приводит к снижению КПД антенны
- низкий коэффициент усиления
- наличие сосредоточенных элементов, усложняющих конструкцию.
В качестве ближайшего прототипа рассмотрим двухдиапазонную антенну № US 20040017314 от 29.01.2004, состоящую из проводящего основания, микрополосковой структуры, которая формирует дипольный элемент и излучатель, образующий с основанием плоскую антенну. Излучатель имеет паз и расположен в параллельной плоскости с основанием при этом электрически изолирован от него и микрополосковой структуры; диполь микрополосковой структуры, проходит через щель так, что излучатель является экраном для дипольного элемента антенны.
Недостатками описанного устройства являются:
- низкий КПД ввиду наличия микрополосковой структуры
- узкая рабочая полоса частот дипольного элемента
- низкий коэффициент усиления дипольной антенны
Задача, на решение которой направлена заявляемая группа полезных моделей - создание антенны с малыми размерами, высокой технологичностью, повышенным коэффициентом усиления и низким коэффициентом отражения в одном НЧ-диапазоне и одном ВЧ-диапазоне, средние частоты которых имеют соотношение , а полосы рабочих частот, по уровню КСВ=1.5, составляют в НЧ и ВЧ диапазоне соответственно +1-5% и +/-25%.
Техническим результатом группы полезных моделей является увеличение коэффициента усиления антенны, уменьшение коэффициента отражения в одном НЧ-диапазоне и одном ВЧ-диапазоне.
Для достижения указанного технического результата предлагается два варианта исполнения двухрезонансной антенны:
В первом варианте исполнения двухрезонансной антенны указанный технический результат достигается за счет того, что П-образные шунты и шлейфы холостого хода образуют дополнительные вибраторы, а также за счет оптимизации размеров излучающих элементов, экрана, шунтов, шлейфов холостого хода и элементов симметрирующего устройства и упрощения конструкции деталей антенны.
Во втором варианте исполнения двухезонансной антенны технический результат достигается за счет за счет использования шунтового вибратора и связанных с ним пассивных плоских вибраторов, образования дополнительных вибраторов П-образными шунтами и шлейфами холостого хода, оптимизации размеров излучающих элементов, экрана, шунтов, шлейфов холостого хода и элементов симметрирующего устройства, а также за счет упрощения конструкции деталей антенны.
Первый вариант исполнения двухрезонансной антенны содержит симметричный активный вибратор расположенный над проводящим экраном, и который питается через симметрирующее устройство от коаксиального входа, закрепленного на экране. Симметрирующее устройство, выполненное в виде короткозамкнутого мостика, состоит из плоских проводников, при этом часть проводников образуют полосковую линию передачи. К плечам вибратора подключены два короткозамкнутых П-образных шунта, при этом каждый шунт дополнен двумя шлейфами холостого хода, установленными на участках между серединой шунта и концами подключенными к активному вибратору. Активный вибратор, шунты и шлейфы, лежат в одной плоскости и образуют одну деталь, выполненную из листового металла, скрепленную с экраном при помощи держателей за середины шунтов и в точках нулевого потенциала. Симметрирующее устройство и экран также выполнены из листового металла. Для защиты антенны от агрессивных воздействий на экране закрепляется диэлектрический кожух со стороны излучающих элементов.
Второй вариант исполнения двухрезонансной антенны содержит симметричный активный вибратор расположенный над проводящим экраном, и который питается через симметрирующее устройство от коаксиального входа, закрепленного на экране. Симметрирующее устройство, выполненное в виде короткозамкнутого мостика, состоит из плоских проводников, при этом часть проводников образуют полосковую линию передачи. К плечам вибратора подключены два короткозамкнутых П-образных шунта, при этом каждый шунт дополнен двумя шлейфами холостого хода, установленными на участках между серединой шунта и концами подключенными к активному вибратору. Активный вибратор, шунты и шлейфы, лежат в одной плоскости и образуют одну деталь, выполненную из листового металла, скрепленную с экраном при помощи держателей за середины шунтов и в точках нулевого потенциала. Дополнительно в антенне применены четыре плоских пассивных вибратора, которые могут быть выполнены в виде дисков и располагаются над активным вибратором и шунтами. Одна пара пассивных вибраторов скреплена с активным вибратором диэлектрическими держателями, а другая пара скреплена с экраном при помощи диэлектрических или проводящих держателей. Пассивные вибраторы, симметрирующее устройство и экран также выполнены из листового металла. Для защиты антенны от агрессивных воздействий на экране закрепляется диэлектрический кожух со стороны излучающих элементов.
Заявляемая группа полезных моделей поясняется следующими иллюстрациями:
Фигура 1 - общий вид двухдиапазонной широкополосной антенны, где:
1 - защитный диэлектрический кожух антенны;
2, 3 - плечи активного вибратора;
4 - экран антенны;
5, 10, 11 - держатели;
6 - П-образные шунты;
7 - шлейфы холостого хода;
8, 9 - пассивные вибраторы;
12, 13, 14 - проводники симметрирующего устройства;
15 - коаксиальный вход/выход антенны;
16 - точки подключения шлейфов холостого хода;
17 - точки подключения П-образных шлейфов.
Фигура 2 - общий вид двухдиапазонной широкополосной антенны с размерами, где:
18 - длина шлейфа холостого хода;
19 - ширина шлейфа холостого хода и участка П-образного шунта, параллельного оси OY;
20 - ширина участка П-образного шунта, параллельного оси ОХ;
21, 30 - размеры экрана;
22 - габарит П-образного шунта вдоль оси OY;
23 - размер зазора между плечами активного вибратора;
24 - габарит П-образного шунта вдоль оси ОХ;
25, 28 - межцентровые расстояния между пассивными вибраторами;
26 - габарит активного вибратора вдоль оси ОХ;
27 - диаметр пассивного вибратора;
29 - габарит активного вибратора вдоль оси OY;
31 - зазор между внешними проводниками симметрирующего устройства;
32 - расстояние между экраном и активным вибратором;
33 - расстояние между пассивными вибраторами и активным вибратором.
ср.ВЧ
ср.ВЧ
ср.ВЧ
ср.ВЧ
ср.ВЧ
ср.ВЧ
ср.ВЧ
ср.ВЧ
ср.ВЧ
ср.ВЧ
ср.ВЧ
ср.ВЧ
ср.ВЧ
Двухдиапазонная широкополосная антенна состоит из разрезного активного вибратора (на фигурах не указан), четырех пассивных вибраторов 8 и 9, двух П-образных шунтов 6 с включенными в него шлейфами холостого хода 7, держателей 5, 10 и 11, симметрирующего устройства, коаксиального входа 15, экрана 4 и защитного диэлектрического кожуха 1. Размеры экрана 21 и 30 составляют 1,47*λ. Плечи 2 и 3 активного вибратора разделены с зазором размером 23, равным 0,02*λ, и имеют контуры, близкие к прямоугольному, с вырезами в районе зазора. Габариты вибратора 26 и 29 равны 0,55*λ и 0,84*λ соответственно. В плоскости вибратора расположены два шунта 6 П-образной формы, с включениями в виде шлейфов холостого хода 7 длиной 18, равной до 0,15*λ. Шунты 6 включены в плечи активного вибратора 2 и 3 в точках 17, при этом габариты 22 и 24 П-образных шунтов составляют 0,46*λ и 0,31*λ соответственно, а ширины участков 19 и 20 равны 0,11*λ и 0,03*λ соответственно. Шлейфы 7 включены в местах изгиба шунтов 6 - точках 16. Активный вибратор, П-образные шунты 6 и шлейфы 7 закреплены над экраном 4 на расстоянии 32, равным 0,26*λ, при помощи держателей 5, за середины шунтов 6. Над плечами 2, 3 и шунтами 6 расположены четыре плоских пассивных вибратора 8 и 9, которые могут быть выполнены в виде дисков диаметром 27, равным 0,32*λ. При этом диски 8 лежат примерно над плечами 2 и 3 активного вибратора, а диски 9 примерно над точками лежащими между серединами шунтов 6 и краями разреза активного вибратора. Диски 8 прикреплены к активным вибраторам при помощи диэлектрических держателей 10. Диски 9 прикреплены к экрану 4 при помощи держателей 11. Расстояние между активным вибратором и пассивными вибраторами 33 составляет 0,11*λ. Межцентровые расстояния между пассивными вибраторами 25 и 28 составляют 0,67*λ. Антенна может быть снабжена защитным диэлектрическим кожухом 19, закрепленным на экране 4 со стороны излучателей.
С целью повышения технологичности антенны, экран, пассивные вибраторы, активный вибратор, шлейфы холостого хода, П-образные шунты выполнены из листового металла с одинаковым способом обработки. Активный вибратор, шлейфы холостого хода, П-образные шунты объединены в одну целую деталь.
Двухдиапазонная широкополосная антенна (вариант 1) работает в НЧ-диапазоне следующим образом:
При подаче сигнала на плечи 2 и 3, через коаксиальный вход/выход 15 и симметрирующее устройство, активный вибратор возбуждается и совместно с экраном 4 формирует излучение с линейной поляризацией преимущественно в положительном направлении оси OZ. П-образные шунты 6, шлейфы холостого хода 7 и короткозамкнутый мостик симметрирующего устройства являются реактивными нагрузками для активного вибратора и устанавливают режим согласования на входе антенны. Участки П-образных шунтов, параллельные оси OY, шлейфы 7 образуют линейные вибраторы которые возбуждаются через участки шунтов параллельных оси ОХ практически синфазно с активным вибратором, что приводит к росту коэффициента усиления антенны. Держатели 5 находятся в минимуме поля создаваемого шунтами 6 и также не оказывают влияния на работу антенны.
Двухдиапазонная широкополосная антенна (вариант 2) работает в НЧ-диапазоне следующим образом:
При подаче сигнала на плечи 2 и 3, через коаксиальный вход/выход 15 и симметрирующее устройство, активный вибратор возбуждается и совместно с экраном 4 формирует излучение с линейной поляризацией преимущественно в положительном направлении оси OZ. П-образные шунты 6, шлейфы холостого хода 7 и короткозамкнутый мостик симметрирующего устройства являются реактивными нагрузками для активного вибратора и устанавливают режим согласования на входе антенны. Участки П-образных шунтов, параллельные оси OY, шлейфы 7 образуют линейные вибраторы которые возбуждаются через участки шунтов параллельных оси ОХ практически синфазно с активным вибратором, что приводит к росту коэффициента усиления антенны. Пассивные вибраторы 8, 9 ввиду незначительных электрических размеров в НЧ-диапазоне, почти не оказывают влияния на основные характеристики антенны. Держатели 5 находятся в минимуме поля создаваемого шунтами 6 и также не оказывают влияния на работу антенны.
Двухдиапазонная широкополосная антенна (вариант 1) работает в ВЧ-диапазоне следующим образом:
При подаче сигнала на плечи 2 и 3, через коаксиальный вход/выход 15 и симметрирующее устройство, активный вибратор возбуждается, и совместно с экраном 4 формирует излучение с линейной поляризацией преимущественно в положительном направлении оси OZ. При этом плечи активного вибратора в данном диапазоне частот имеют увеличенные электрические размеры, и, следовательно, увеличенную эффективную площадь, приводящую к росту коэффициента усиления. Участки П-образных шунтов, параллельные оси OY, и шлейфы 7 образуют линейные вибраторы, которые возбуждаются через участки шунтов, параллельных оси ОХ, практически синфазно с плечами 2, 3 активного вибратора, что также приводит к росту коэффициента усиления антенны. Держатели 5 находятся в минимуме поля создаваемого шунтами 6. Размеры активного вибратора, элементов симметрирующего устройства, П-образных шунтов, шлейфов холостого хода, их взаимное расположение и расположение относительно экрана позволяет согласовать антенну с линией передачи.
Двухдиапазонная широкополосная антенна (вариант 2) работает в ВЧ-диапазоне следующим образом:
При подаче сигнала на плечи 2 и 3, через коаксиальный вход/выход 15 и симметрирующее устройство, активный вибратор возбуждается, и совместно с экраном 4 формирует излучение с линейной поляризацией преимущественно в положительном направлении оси OZ. При этом Плечи активного вибратора в данном диапазоне частот имеют увеличенные электрические размеры, и, следовательно, увеличенную эффективную площадь, приводящую к росту коэффициента усиления. Участки П-образных шунтов, параллельные оси OY, и шлейфы 7 образуют линейные вибраторы, которые возбуждаются через участки шунтов, параллельных оси ОХ, практически синфазно с плечами 2, 3 активного вибратора, что также приводит к росту коэффициента усиления антенны. Пассивные вибраторы 8 расположены над максимумами поверхностных токов плеч 2, 3, и выполняют роль директоров в верхней части ВЧ-диапазона. Пассивные вибраторы 9 расположены над пучностями токов участков П-образных шунтов, параллельных оси OY и над пучностями токов плеч 2, 3, которые находятся вблизи разреза/зазора разделяющего эти плечи, и также выполняют роль директоров в верхней части ВЧ-диапазона. Применение директоров 8, 9 приводит к росту коэффициента усиления в верхней части ВЧ-диапазона. Держатели 5 находятся в минимуме поля создаваемого шунтами 6 и не оказывают влияния на работу антенны. Держатели 11 соединены с пассивными вибраторами 9 в точках нулевого потенциала и также практически не оказывают влияния на излучение антенны. Размеры пассивных вибраторов, активного вибратора, элементов симметрирующего устройства, П-образных шунтов, шлейфов холостого хода, их взаимное расположение и расположение относительно экрана позволяет согласовать антенну с линией передачи.
Описанная конструкция позволила получить следующие основные характеристики при реализации антенны для НЧ диапазона 890-960 МГц и ВЧ диапазона частот 1700-2700 МГц:
1) КСВ по входу антенны в вариантах согласовании с коаксиальными линией 50 Ом или 75 Ом не более 1,6 в обоих диапазонах частот;
2) Коэффициент усиления в НЧ диапазоне частот 9 дБ по отношению к изотропному излучателю;
3) Коэффициент усиления в ВЧ диапазоне частот 10,5÷14,5 дБ по отношению к изотропному излучателю;
4) Уровень бокового излучения не более - 15 дБ.
5) Размеры антенны с учетом размеров кожуха 200 мм*200 мм*60 мм
Высокий коэффициент усиления антенны в НЧ диапазоне частот достигается за счет: применения увеличенного активного вибратора, и как следствие имеющего большую эффективную площадь, работы шунтов и шлейфов холостого хода в качестве дополнительных вибраторов. Низкий коэффициент отражения в НЧ-диапазоне достигнут за счет оптимизации размеров активного вибратора и его положения относительно экрана, особенностей геометрии шунтов, шлейфов холостого хода, симметрирующего устройства.
Высокий коэффициент усиления антенны в ВЧ диапазоне частот достигается за счет применения увеличенного активного вибратора, и как следствие имеющего большую эффективную площадь, а также за счет применения пассивных вибраторов, работе шунтов и шлейфов холостого хода в качестве дополнительных вибраторов. Низкий коэффициент отражения в ВЧ-диапазоне достигнут за счет оптимизации размеров вибраторов и их взаимного расположения, особенностей геометрии шунтов, шлейфов холостого хода, симметрирующего устройства.