УНИВЕРСАЛЬНАЯ АНТЕННА ДЛЯ СОТОВОЙ СВЯЗИ

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 № US 20040017314 от 29.01.2004, состоящая 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.
В качестве прототипа рассмотрим двухрезонансную антенну (патент № RU 148192 от 24.03.2014, вариант 2), состоящую из активного вибратора, расположенного над проводящим экраном, симметрирующего устройства, коаксиального входа/выхода или ВЧ-линией передачи, экрана, держателей, защитного кожуха, включающую в себя, по крайне мере, четыре пассивных вибратора. К плечам активного вибратора подключены П-образные шунты, дополненные шлейфами холостого хода таким образом, что образуются дополнительные вибраторы.
Недостатком описанного устройства является:
- узкий НЧ-диапазон, в котором могут быть реализованы заявленные характеристики антенны.
Задача, на решение которой направлена полезная модель - создание антенны с расширенным НЧ-диапазоном, высоким коэффициентом усиления и низким коэффициентом отражения на входе антенны.
Техническим результатом полезной модели является расширение НЧ-диапазона антенны на 100-120% по отношению к прототипу, в котором могут быть реализованы высокие значения коэффициента усиления и низкие значения коэффициента отражения на входе антенны.
Для достижения указанного технического результата предлагается универсальная антенна для сотовой связи, состоящая из симметричного активного вибратора, расположенного 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, которые подключены 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. Также антенна содержит четыре плоских пассивных вибратора ВЧ-диапазона, которые могут быть выполнены в виде дисков и располагаются над активным вибратором и шунтами. Одна пара пассивных вибраторов ВЧ-диапазона скреплена с активным вибратором диэлектрическими держателями, а другая пара скреплена с экраном при помощи диэлектрических или проводящих держателей. Для расширения НЧ-диапазона антенна дополнительно содержит два пассивных вибратора НЧ-диапазона, которые могут быть выполнены в виде пластин прямоугольной формы и расположены под П-образными шунтами и активным вибратором. Пассивные вибраторы ВЧ-диапазона, симметрирующее устройство и экран могут быть выполнены из листового металла. Для защиты антенны от агрессивных воздействий на экране закрепляется диэлектрический кожух со стороны излучающих элементов.
Заявляемая полезная модель поясняется следующими иллюстрациями:
Фигура 1 - общий вид универсальной антенны для сотовой связи, 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 ВЧ-диапазона;
12, 13, 14 - проводники симметрирующего устройства;
15 - коаксиальный вход/выход антенны;
16 - точки подключения шлейфов холостого хода;
17 - точки подключения П-образных шлейфов;
18 - пассивные вибраторы НЧ-диапазона.
Фигура 2 - общий вид универсальной антенны для сотовой связи с размерами, где:
19 - длина шлейфа холостого хода;
20 - ширина шлейфа холостого хода и участка П-образного шунта, параллельного оси OY;
21 - ширина участка П-образного шунта, параллельного оси OX;
22, 31 - размеры экрана;
23 - габарит П-образного шунта вдоль оси OY;
24 - размер зазора между плечами активного вибратора;
25 - габарит П-образного шунта вдоль оси OX;
26, 29 - межцентровые расстояния между пассивными вибраторами ВЧ-диапазона;
27 - габарит активного вибратора вдоль оси OX;
28 - диаметр пассивных вибраторов ВЧ-диапазона;
30 - габарит активного вибратора вдоль оси OY;
32 - зазор между внешними проводниками симметрирующего устройства;
33 - расстояние между экраном и активным вибратором;
34 - расстояние между пассивными вибраторами ВЧ-диапазона и активным вибратором;
35 - длина пассивных вибраторов НЧ-диапазона;
36 - ширина пассивных вибраторов НЧ-диапазона.
ср.НЧ
ср.ВЧ
ср.НЧ
ср.НЧ
ср.НЧ
ср.НЧ
ср.НЧ
ср.НЧ
ср.НЧ
ср.НЧ
ср.ВЧ
ср.ВЧ
ср.ВЧ
ср.ВЧ
ср.НЧ
ср.НЧ
Антенна состоит из разрезного активного вибратора (на фигурах не указан), четырех пассивных вибраторов ВЧ-диапазона 8 и 9, двух П-образных шунтов 6 с включенными в него шлейфами холостого хода 7, двух пассивных вибраторов НЧ-диапазона 18, держателей 5, 10 и 11, симметрирующего устройства (на фигурах не указано), коаксиального входа/выхода 15, экрана 4 и защитного диэлектрического кожуха 1. Размеры экрана 22 и 31 составляют 0,69∗λ. Плечи 2 и 3 активного вибратора разделены с зазором размером 24, равным 0,015∗λ, и имеют контуры, близкие к прямоугольному, с вырезами в районе зазора. Габариты вибратора 27 и 30 равны 0,24∗λ и 0,37∗λ соответственно. В плоскости вибратора расположены два шунта 6 П-образной формы, с включениями в виде шлейфов холостого хода 7 длиной 19, равной до 0,03∗λ. Шунты 6 включены в плечи активного вибратора 2 и 3 в точках 17, при этом габариты 23 и 25 П-образных шунтов составляют 0,3∗λ и 0,16∗λ соответственно, а ширины участков 20 и 21 равны 0,06∗λ и 0,01∗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 33, равным 0,1∗λ, при помощи держателей 5, за середины шунтов 6. Над плечами 2,3 и шунтами 6 расположены четыре плоских пассивных вибратора ВЧ-диапазона 8 и 9, которые могут быть выполнены в виде дисков диаметром 28, равным 0,32∗λ. При этом пассивные вибраторы ВЧ-диапазона 8 лежат примерно над плечами 2 и 3 активного вибратора, а пассивные вибраторы ВЧ-диапазона 9 примерно над точками, лежащими между серединами шунтов 6 и краями разреза активного вибратора. Пассивные вибраторы ВЧ-диапазона 8 прикреплены к активным вибраторам при помощи диэлектрических держателей 10. Пассивные вибраторы ВЧ-диапазона 9 прикреплены к экрану 4 при помощи держателей 11. Расстояние между активным вибратором и пассивными вибраторами ВЧ-диапазона 34 составляет 0,11∗λ. Межцентровые расстояния между пассивными вибраторами ВЧ-диапазона 26 и 29 составляют 0,78∗λ и 0,72∗λ. Пассивные вибраторы НЧ-диапазона 18 расположены под П-образными шунтами на расстоянии от экрана 4, примерно равном половине расстояния между экраном 4 и активным вибратором. Размеры пассивных вибраторов НЧ-диапазона 35 и 36 равны 0,37∗λ и 0,04∗λ соответственно. Антенна может быть снабжена защитным диэлектрическим кожухом 1, закрепленным на экране 4 со стороны излучателей.
С целью повышения технологичности антенны, экран, пассивные вибраторы ВЧ-диапазона, 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.
Универсальная антенна для сотовой связи 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 OX практически синфазно с активным вибратором, что приводит к росту коэффициента усиления антенны. Пассивные вибраторы НЧ-диапазона 18 электромагнитно связаны с активным вибратором и образованными линейными вибраторами и, вследствие этого, влияют на входное сопротивление антенны и устанавливают режим согласования в верхней части НЧ диапазона. Пассивные вибраторы ВЧ-диапазона 8, 9 ввиду незначительных электрических размеров в НЧ-диапазоне, почти не оказывают влияния на основные характеристики антенны. Держатели 5 скреплены с шунтами 6 в узлах напряжения и также не оказывают влияния на работу антенны.
Универсальная антенна для сотовой связи 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 OX, практически синфазно с плечами 2, 3 активного вибратора, что также приводит к росту коэффициента усиления антенны. Пассивные вибраторы ВЧ-диапазона 8 расположены над максимумами поверхностных токов плеч 2, 3 и выполняют роль директоров в верхней части ВЧ-диапазона. Пассивные вибраторы ВЧ-диапазона 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 вибраторов ВЧ-диапазона 8, 9 приводит к росту коэффициента усиления в верхней части ВЧ-диапазона. Держатели 5 скреплены с шунтами 6 в узлах напряжения и также 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 ВЧ-диапазона, активного вибратора, элементов симметрирующего устройства, П-образных шунтов, шлейфов холостого хода, пассивных вибраторов НЧ-диапазона, 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 790-960 МГц и ВЧ-диапазона частот 1700-2700 МГц:
1) КСВ по входу антенны в вариантах согласования с коаксиальными линиями 50 Ом или 75 Ом не более 1,6 в обоих диапазонах частот;
2) Коэффициент усиления в НЧ диапазоне частот 8,5÷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 240 мм ∗240 мм ∗60 мм.
Расширение НЧ-диапазона достигается за счет добавления в конструкцию антенны пассивных вибраторов НЧ-диапазона. Таким образом, НЧ-диапазон увеличен в 2,4 раза, при этом существенных усложнений конструкции антенны не требуется.
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, размеров и положения пассивных вибраторов НЧ-диапазона, 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 ВЧ-диапазона, работе шунтов и шлейфов холостого хода в качестве дополнительных вибраторов. Низкий коэффициент отражения в ВЧ-диапазоне достигнут за счет оптимизации размеров пассивных вибраторов ВЧ-диапазона и их взаимного расположения, особенностей геометрии шунтов, шлейфов холостого хода, симметрирующего устройства.