МИНИАТЮРНАЯ АНТЕННА С ДВОЙНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ ДЛЯ БАЗОВОЙ СТАНЦИИ
MINIATURE ANTENNA WITH DOUBLE POLARIZATION FOR BASE STATION

Область техники
[0001] Данное изобретение относится к направленной приемо-передающей антенне с двойной поляризацией, у которой ширина главного лепестка диаграммы направленности в горизонтальной плоскости составляет от 55° до 75°, и две поляризации являются взаимно ортогональными, например, взаимно ортогональные горизонтальная и вертикальная поляризация или поляризации с наклоном ±45°.
Предпосылки создания изобретения
[0002] Патент US 3740754 является одним из наиболее ранних патентов, в котором описана антенна с двойной поляризацией. В этом патенте описан генератор колебаний, состоящий из двух металлических труб, которые соединены друг с другом вдоль соответствующей линии сгиба и размещены на одной отражающей вогнутой поверхности, и эти две группы генераторов питаются, соответственно, двумя группами коаксиальных кабелей. В дальнейшем, для того, чтобы разместить рабочий диапазон частот, были разработаны сотни различных антенн с двойной поляризацией.
[0003] В патенте US 4184162 описана широкополосная антенна с двойной поляризацией. В этом патенте плечо генератора колебаний в антенне состоит из металлического кольца, которое может иметь форму круглого кольца или квадратного элемента. В патентах US 5481272, US 5952983, US 6028563 и US 6072439 описано несколько типов генераторов колебаний, включая вибраторы со свернутой сеткой, вибраторы со связью и вибраторы с дополнительным симметрирующим устройством на печатной плате.
[0004] В патенте США US 6747606 В2, US 2005/0253769 А1, US 2013/0106668 А1 и патентах КНР CN 201435451 Y, CN 102025023 А, CN 201845867 U и CN 102074781 А описано несколько типов перекрещенных вибраторов, и эти вибраторы включают излучающее плечо вибратора, состоящее из двух ветвей, для того, чтобы уменьшить ширину главного лепестка диаграммы направленности.
[0005] Поскольку перекрещенные диполи создают диаграмму направленности с широким главным лепестком в горизонтальной плоскости, то для уменьшения ширины лепестка было изобретено много других сложных излучателей. В патенте US 5940044 описана наклонная антенна с двойной поляризацией. Такая антенна имеет ширину главного лепестка диаграммы направленности на уровне половинной мощности около 65°. Эта антенна включает несколько подрешеток, состоящих из диполей, и каждый диполь образован путем расположения четырех единичных диполей в форме ромба, в ромбовидной форме или в форме правильного куба. Таким образом формируется состоящая из диполей подрешетка. Два единичных диполя в каждой состоящей из диполей подрешетке и длинные стороны отражающей пластины имеет наклон под углом +45°. Таким образом формируется единичная излучающая решетка с поляризованными под углом +45° излучением. Два других единичных диполя и длинные стороны отражающей пластины имеет наклон -45°. Таким образом формируется единичная излучающая решетка с поляризованным под углом -45° излучением. В этом патенте диполи расположены таким образом, что фазовые центры одного единичного диполя с наклоном +45° и одного единичного диполя с наклоном -45°, находящиеся на одной стороне, расположены вдоль первой вертикальной линии, параллельной длинным сторонам отражающей пластины. Аналогично, фазовый центр другого наклоненного под углом +45° единичного диполя и одного наклоненного под углом -45° единичного диполя расположены вдоль второй вертикальной линии. Основной недостаток таких квадратных диполей состоит в том, что требуется сложная схема возбуждения, например, четыре единичных диполя должны возбуждаться, соответственно, с помощью четырех коаксиальных кабелей.
[0006] В патентах ЕР 0973231 А2, US 6333720 В1, US 6529172 В2 и US 2010/0309084 А1 описано несколько излучателей, имеющих квадратную конфигурацию. Для того, чтобы облегчить изготовление, симметрирующие устройства этих диполей наклонены относительно центральной линии конфигурации квадратного вибратора. Хотя это представляет собой новую графическую структуру, такие антенны остаются все еще очень сложными для изготовления.
[0007] В патенте US 6313809 В1 описан излучателем с двойной поляризацией, состоящий из четырех единичных диполей. Этот излучатель соответствующим образом размещен на отражателе. Если смотреть сверху, то его общая структура представляет собой квадрат. Каждый из диполей питается от симметричной шины и имеет следующие характеристики: дипольный излучатель с двойной поляризацией, с точки зрения электричества, формирует поляризацию, образующую угол +45° или -45° со структурой диполя. Таким образом, концы симметричных шин половины диполей соединены крестообразно, т.е. соответствующая половина шин половины соседних и вертикальных диполей электрически соединены друг с другом; и для создания первой поляризации и второй поляризации, ортогональной к первой поляризации, осуществляется развязка, и, соответственно, становится возможным электрически запитать противоположную половину диполей.
[0008] Несколько других модификаций таких квадратных диполей было описано в патентах США и Китая US 6940465 B2, US 7688271 B2, CN 202423543 U, CN 202268481 U, CN 101916910 A, CN 102097677 A, CN 102964237 A, CN 102544711 A, CN 201199545 Y, CN 102117967 А и CN 102013560 А.
[0009] В патенте WO 2007/114620 A1 описан излучатель с двойной поляризацией, состоящей из четырех петлевых вибраторов. В этом излучателе используется такая же конфигурация, как в патенте US 6313809 B1, и его соответствующим образом размещают на отражающей пластине. Некоторые другие модификации таких петлевых вибраторов описаны в китайских патентах CN 101707292 A, CN 201430215 Y, CN 202178382 U и CN 202004160 U. Кроме того, в китайских патентах CN 102377007 A, CN 201117803 Y и CN 101505007 A описано формирование из диполей одной квадратной структуры путем соединения с помощью емкостной связи нескольких петлевых вибраторов и одного единичного диполя.
[0010] Когда диапазон рабочих частот достигает 30%, формирование одного квадратного диполя из известных излучателей, включает четыре обычных или петлевых вибратора, может создавать хорошую диаграмму направленности. Однако, для этих диполей необходима широкая отражающая пластина для того, чтобы обеспечить хороший коэффициент обратного излучения. Когда излучающее устройство размещают на одной отражающей пластине, высота вибраторов составляет приблизительно  длины волны на центральной частоте рабочего диапазона. Отсюда следует, что известные излучатели имеют большой размер.
[0011] Для того, чтобы устранить эти недостатки, было изобретено много излучателей с двойной поляризацией, имеющих небольшой размер. В патентах США US 6933906 В2, US 7132995 В2 и US 2012/0235873 А1 и Китая CN 102074779 А, CN 102157783 А, CN 101707291 А, CN 101572346 А, CN 201741796 U, CN 101546863 А, CN 101673881 А, CN 202150554 U, CN 102246352 А, CN 102484321 А, CN 202423541 U, CN 102544764 А и CN 101707287 А описано много перекрещенных диполей с различными плечами вибратора. Поскольку ширина главного лепестка диаграммы направленности перекрещенных диполей в горизонтальной плоскости слишком велика, необходимо значительно уменьшить ширину главного лепестка. Вследствие этого, размер антенны все еще может быть очень большим, как, например, описано в патенте США US 7679576.
[0012] В патенте WO 2007/114620 А1 описан квадратный диполь, образованный из петлевого вибратора, состоящего из одной соединительной части и соединенным с ней плечом вибратора. В патенте США US 2009/0179814 А1 описана широкополосная антенна с двойной поляризацией, излучающее устройство которой включат петлевые вибраторы, как показано на Фиг. 1 и которую можно считать прототипом.
Краткое изложение сущности изобретения.
[0013] В свете необходимости решения обозначенной выше проблемы целью данной заявки является создание высококачественной миниатюрной антенны с двойной поляризацией для базовой станции. Такая миниатюрная антенна с двойной поляризацией для базовой станции должна быть способной обеспечить качественную диаграмму направленности. Например, эта миниатюрная антенна с двойной поляризацией для базовой станции должна иметь большой коэффициент кросс-поляризации, коэффициент обратного излучения и т.п. Поскольку все известные антенны с двойной поляризацией включают широкоугольный отражатель, с помощью которого достигается большой коэффициент обратного излучения, то все эти антенны должны иметь большие габаритные размеры. На основании этого, первой целью настоящей заявки является уменьшение, насколько возможно, физического размера антенны с двойной поляризацией, т.е. создание миниатюрной антенны. Второй целью настоящего изобретения является создание миниатюрной антенны с двойной поляризацией, которая имела бы такие же показатели, например, коэффициент обратного излучения, коэффициент кросс-поляризации и т.п., как у традиционных больших антенн с двойной поляризацией. Третьей целью настоящего изобретения является создание отличной широкополосной сопряженной цепи питания для излучающего устройства с подобной миниатюрной антенной.
[0014] Для достижения указанных выше целей миниатюрная антенна с двойной поляризацией для базовой станции, предлагаемая в настоящей заявке, включает излучающее устройство и служащее опорой проводящее устройство. Служащий опорой проводник предназначен для удержания и крепления излучающего устройства на отражающей пластине, при этом два служащих опорой проводника образуют два вертикальных симметрирующих устройства, и излучающее устройство возбуждается с помощью двух коаксиальных кабелей, находящихся в центре излучающего устройства с тем, чтобы оно генерировало два вертикально направленных линейных электромагнитных поля. У этих линейных электромагнитных полей вектор Е параллелен геометрической диагонали излучающего устройства.
[0015] Во-вторых, излучающее устройство, предлагаемое в настоящей заявке, включает четыре петлевых вибратора, которые питаются при помощи четырех групп симметричных полосковых линий согласованным образом. В четырех группах симметричных полосковых линий проводники каждых двух групп соседних полосковых линий соединены между собой в середине излучающего устройства и образуют плоскую служащую опорой структуру с взаимными соединениями.
[0016] Кроме того, отражающая пластина антенны, предлагаемой в настоящей заявке, имеет значительно меньший размер, чем отражающие пластины существующих известных антенн. Излучающее устройство размещается на этой небольшой отражающей пластине. Излучающее устройство включает дополнительный проводящий элемент, расположенный между концами соседних петлевых вибраторов, и еще один проводящий элемент расположен над геометрическим центром излучающего устройства. Эти дополнительные проводники улучшают коэффициент обратного излучения и коэффициент кросс-поляризации, с одной стороны, и, с другой стороны, в том случае, когда излучающее устройство размещают на одной небольшой отражающей пластине, эти дополнительные элементы согласуются с коаксиальной цепью питания.
Краткое описание чертежей
[0017] Прилагаемые чертежи составляют часть описания и предназначены для того, чтобы детально описать конкретные варианты выполнения данной заявки и объяснить основные положения данной заявки вместе с последующим подробным описанием данной заявки.
[0018] Фиг. 1 - широкополосная антенна с двойной поляризацией, заимствованная из известного технического решения (патент США US 2009/0179814 А1). На Фиг. 1 показано излучающее устройство, которое включает четыре петлевых вибратора, которые питаются посредством четырех групп симметричных цепей питания и соединены друг с другом в центре излучающего устройства;
[0019] Фиг. 2 - стереоскопическая структурная схема одного варианта выполнения излучающего блока в миниатюрной антенне с двойной поляризацией для базовой станции, согласно настоящей заявке, который включает излучающее устройство и дополнительный проводящий элемент, и они оба размещены на отражающей пластине;
[0020] Фиг. 3 - стереоскопическая структурная схема нижней стороны излучающего блока в миниатюрной антенне с двойной поляризацией для базовой станции, представленной на Фиг. 2, при этом излучающий блок имеет два служащих опорой проводника и два коаксиальных кабеля питания, которые соединены друг с другом посредством металлической пластины основания;
[0021] Фиг. 4 вид сверху излучающего устройства без верхней металлической пластины в излучающем блоке миниатюрной антенны с двойной поляризацией для базовой станции, представленной на Фиг. 2;
[0022] Фиг. 5 - стереоскопическая структурная схема второго варианта выполнения излучающего блока в миниатюрной антенне с двойной поляризацией для базовой станции, согласно настоящей заявке, при этом излучающее устройство и два вертикальных симметрирующих устройства отлиты или отлиты под давлением в металлическую пресс-форму как одно целое и образуют выполненный как одно целое металлический вибратор, и
[0023] Фиг. 6 - стереоскопическая структурная схема второго варианта выполнения, представленного на Фиг. 5, в котором сформирован выполненный как одно целое круглый вибратор.
Подробное описание предпочтительных вариантов выполнения
[0024] На Фиг. 1 представлена широкополосная антенна с двойной поляризацией, заимствованная из прототипа (патент США US 2009/0179814 А1). На Фиг. 1 показано излучающее устройство, включающее четыре петлевых вибратора, питание которых осуществляется четырьмя группами симметричных цепей питания, и соседние проводники в двух группах симметричных цепей питания соединены друг с другом в центре излучающего устройства. Излучающее устройство возбуждается посредством двух коаксиальных кабелей, размещенных в центре излучающего устройства, таким образом, что оно генерирует два вертикально направленных электромагнитных поля. У этих линейных электромагнитных полей вектор Е параллелен геометрической диагонали излучающего устройства.
[0025] На Фиг. 2 показан первый вариант выполнения настоящей заявки. Излучающее устройство изготовлено на печатной плате, и оно включает два вертикальных симметрирующих устройства, которые опираются на отражающую пластину 1. Отражающая пластина 1 намного меньше, чем отражающая пластина у существующих известных антенн. Питание четырех петлевых вибраторов 2а, 2b, 2с и 2d осуществляется четырьмя группами симметричных полосковых линий 22а, 22b, 22с и 22d, которые размещены на нижней поверхности средней подложки 2, как показано на Фиг. 3. Служащий опорой проводник 3а и наружный проводник 4а коаксиального кабеля соединены с металлической пластиной 5 основания, и, таким образом образуют первое симметрирующее устройство. Аналогично этому, второе симметриующее устройство образуется путем соединения служащего опорой проводника 3b и наружного проводника 4b коаксиального кабеля с металлической пластиной 5 основания, и служащие опорой проводники 3а и 3b имеют длину менее 0,15 длины волны на центральной частоте рабочего диапазона. Нижние концы служащих опорой проводников 3а и 3в соединены с наружными проводниками 4а и 4b посредством проводящей пластины 5 основания, а верхняя проводящая пластина 6 опирается на среднюю подложку 2 изолирующими опорными стержнями 7, проводящее основание 5 изолированно от отражающей пластины посредством изолирующей промежуточной пленки 8, и проводящая пластина 5 основания крепится к отражающей пластине 1 при помощи пластиковой заклепки 9. Следовательно, в этом варианте выполнения не будет создаваться пассивная взаимная модуляция, которая связана с проблемами соединений между металлическими элементами.
Проводник 10 припаивается к средней подложке 2, и размещается в углу, и он направлен к отражающей пластине 1. Боковые пластинки 11 расположены у края средней подложки 2.
[0026] На Фиг. 3 показана нижняя поверхность средней подложки 2. На ней имеются четыре петлевых вибратора 2а, 2b, 2с и 2d. Питание этих четырех петлевых вибраторов осуществляется, соответственно, четырьмя группами симметричных полосковых линий 22а, 22b, 22с и 22d, и четыре одинаковых дополнительных проводника 12 расположены между концами петлевых вибраторов на нижней поверхности средней подложки 2. Четыре одинаковых прямоугольных проводника 10 соединены, соответственно, с четырьмя дополнительными проводниками 12.
[0027] Верхний конец образующего опору проводника 3а соединен с тем местом, где соединяются две соседние группы симметричных полосковых линий 22с и 22d; и аналогично, верхний конец образующего опору проводника 3b соединен с тем местом, где соединяются две соседние группы симметричных полосковых линий 22а и 22d. Верхний конец наружного проводника 4а коаксиального кабеля соединен с тем местом, где соединяются две соседние группы симметричных полосковых линий 22а и 22b и аналогично, верхний конец наружного проводника 4b коаксиального кабеля соединен с тем местом, где соединяются две соседние группы симметричных полосковых линий 22с и 22d.
[0028] Фиг. 6 представляет собой вид сверху средней подложки 2 без верхней проводящей пластины 6. Внутренние проводники 14а и 14b коаксиальных кабелей 4а и 4b соединены, соответственно, с верхними концами образующих опору проводников 3а и 3b при помощи проводящих перемычек 15а и 15b.
[0029] Прямоугольные проводники 10 соединены посредством емкостной связи с концами петлевых вибраторов и с отражающей пластиной 1. Следовательно, ток высокой частоты протекает по проводнику 10 и создает направленное излучение вдоль отражающей пластины. Вектор Е излучаемого электрического поля направлен вертикально относительно отражающей пластины. Это излучение уменьшает ширину луча в плоскости Е и подавляет до некоторой степени излучение петлевых вибраторов в заднем направлении. Дополнительные проводники 12 соединены с прямоугольными проводниками 10 и тем самым улучшают емкостную связь между проводниками 10 и концами петлевых вибраторов. Следовательно, проводники 10 и дополнительные проводники 12 увеличивают коэффициент обратного излучения антенны и генерируют излучение, в котором вектор Е направлен вертикально относительно отражающей пластины. Это излучение увеличивает коэффициент кросс-поляризации антенны на краях области ±60°. В результате этого, даже если антенна будет иметь небольшой отражатель, эта миниатюрная антенна будет иметь такой же коэффициент обратного излучения и такой же коэффициент кросс-поляризации на краях области ±60°, как и традиционные известные антенны с большой отражающей пластиной.
[0030] Верхняя проводящая пластина 6 возбуждается при помощи проводящих перемычек 15а и 15b. Габаритные размеры верхней проводящей пластины 6 меньше, чем размер петлевых вибраторов. Поэтому верхняя проводящая пластина 6 излучает на более высокой частоте в рабочем диапазоне частот. Излучение верхней проводящей пластины 6 отличается от излучения петлевых вибраторов, поскольку излучение петлевых вибраторов возбуждается концами четырех групп симметричных полосковых линий, и излучение этих двух элементов отличается в высокочастотной области рабочего диапазона частот. Это, в некоторой степени подавляет излучение петлевых вибраторов. Следовательно, излучение верхней проводящей пластины 6 уменьшает ширину луча антенны в высокочастотной области рабочего диапазона частот. В результате этого, в том случае, когда расстояние между вибраторами антенны и отражающей пластиной составляет менее 0,15 длины волны на центральной частоте рабочего диапазона, эта антенна будет иметь такие же показатели, как и традиционные антенны. Расстояние между вибраторами и отражающей пластиной в традиционных антеннах составляет приблизительно 0,25 длины волн.
[0031] Излучение верхней проводящей пластины 6 и проводников 10 и 12 подавляет до некоторой степени излучение петлевых вибраторов. В результате этого, когда расстояние между вибраторами антенны и отражающей пластиной менее 0, 15 длины волны на центральной частоте рабочего диапазона, антенна будет генерировать излучение в таком же согласованном диапазоне частот, как и традиционные антенны с кабелями питания. Расстояние между вибраторами и отражающей пластиной в традиционных антеннах составляет около 0,25 длины волны.
[0032] На Фиг. 5 показан второй вариант выполнения настоящей заявки. Излучающее устройство включает четыре петлевых вибратора 31а, 31b, 31с и 31d, которые соединены с симметричными полосковыми линиями 32а, 32b, 32с и 32d петлевых вибраторов, и два вертикальных симметрирующих устройства, которые отлиты вместе с основанием способом литья под давлением. Первое симметрирующее устройство состоит из служащего опорой проводника 33а, наружных проводников коаксиальных кабелей и образующей основание пластины 35, которая соединяет их друг с другом.
[0033] Проводники 30 установлены между концами смежных петлевых вибраторов и удерживаются посредством изолирующих прокладок 36, и каждый проводник 30 согнут под прямым углом. Часть каждого проводника 30 закреплена в изолирующей прокладке 36, а другая его часть направлена к отражающей пластине 37. Отсюда следует, что проводники 30 работают, как проводники 10 и 12 на Фиг. 4. Второй вариант выполнения данной заявки, как показано на Фиг. 5, имеет такие же преимущества, что и первый вариант выполнения. Однако, этот вариант выполнения можно использовать для массового производства в силу более низких производственных затрат и более высокой устойчивости к изменениям мощности.
[0034] на Фиг. 6 показан еще один вариант выполнения настоящей заявки, изготовленный из металла. Излучающее устройство включает четыре петлевых вибратора 45а, 45b, 45с и 45d, которые имеют кольцеобразную форму и отливаются методом литья под давлением с образованием кольцеобразного металлического тела. Изолирующий опорный стержень 42 поддерживает верхний проводник 43 над излучающим устройством, проводники 40 крепятся между концами смежных петлевых вибраторов при помощи средней изолирующей прокладки 41, и каждый проводник 40 согнут под прямым углом. Одна часть каждого проводника 40 крепится в средней изолирующей прокладке 41, а другая его часть направлена к отражающей пластине 44. Следовательно, проводники 40 работают так же, как проводники 10 и 12 на Фиг. 4. Вариант выполнения настоящей заявки, представленный на Фиг. 6, имеет такие же преимущества, что и вариант, представленный на Фиг. 5.
[0035] В соответствии с концепцией настоящей заявки, разработан образец антенны с двойной поляризацией, с шириной главного лепестка диаграммы направленности ±45°, работающей в диапазоне частот 1710-2200 MHz, в которой расстояние между вибраторами и отражающей пластиной составляет около 20 мм и размер отражающей пластины составляет 120×120 мм. При согласованных испытаниях ширина главного лепестка диаграммы направленности антенны на уровне половинной мощности составила от 60° до 68°, а коэффициент стоячей волны по напряжению равнялся 1,20. Более того, разработана электрически настраиваемая антенная решетка с поляризацией ±45°, включающая пять таких излучающих блоков, при этом для такой электрически настраиваемой антенной решетки размер поперечного сечения составляет только 120×45 мм, коэффициент обратного излучения в диапазоне частот 1710-2200 MHz превышает 28 дб, коэффициент кросс-поляризации превышает 27 дб, коэффициент кросс-поляризации в направлении главного лепестка превышает 25 дб, а коэффициент кросс-поляризации на краях области ±60° превышает 10 дб, а коэффициент стоячей волны по напряжению превышает 1,25.
[0036] В заключение, в настоящей заявке предлагается конструкция миниатюрной антенны для базовой станции, которая имеет такие же технические показания, что и традиционные антенны большого размера. Более того, эту технологию можно применить к разработке антенн для любой другой полосы частот для того, чтобы, уменьшить физический размер антенны, например, ее можно использовать для уменьшения физического размера электрически настраиваемой антенной решетки, работающей в диапазоне частот 690-960 MHz или 1710-2710 MHz. Следовательно, приведенное выше описание представляет собой только одно из нескольких предпочтительных вариантов выполнения данной заявки и не может быть использовано как ограничение объема технического решения данной заявки в какой-либо форме. Специалисты в данной области могут выполнить некоторые изменения и модификации, не выходя за сущность настоящего технического решения, и любые модификации, эквивалентные изменения и улучшения проведенных выше вариантов выполнения, выполненных в соответствии с технической сущностью настоящей заявки, будут считаться не выходящими за объем технического решения настоящей заявки.