ЛОГОПЕРИОДИЧЕСКАЯ КОМБИНИРОВАННАЯ УНИВЕРСАЛЬНАЯ АНТЕННА

Полезная модель относится к антенной технике и может быть использована для совместного применения с сотовыми телефонами, модемами или беспроводными маршрутизаторами, для обеспечения максимального усиления принимаемого и передаваемого сигналов в диапазонах частот от 400 МГц до 5,5 ГГц посредством логопериодической формулы и возможности точного направления на станцию оператора связи, и за счет этого обеспечивает надежной подвижной радиотелефонной связью и высокоскоростной работой в сети Интернет.
Известна логопериодическая антенна, содержащая два антенных полуполотна, образованных рядами вибраторов, закрепленных на несущих трубчатых элементах с короткозамыкающей перемычкой и с размещенным в первом несущем трубчатом элементе кабелем передачи сигнала на приемник сигнала, и усилитель сигнала, подключенный к антенным полуполотнам и к кабелю передачи сигнала и представляющий собой плату с входными и выходными элементами и контактными площадками, при этом кабель передачи сигнала имеет центральную жилу и внешний проводник, причем плата установлена в первом несущем трубчатом элементе с противоположной стороны от короткозамыкающей перемычки и в непосредственной близости от приемного участка кабеля передачи сигнала и имеет четыре контактные площадки, первая из которых подключена ко второму несущему трубчатому элементу, вторая контактная площадка подключена к центральной жиле кабеля для передачи усиленного сигнала на приемник сигнала и подачи напряжения питания на плату, третья контактная площадка подключена к внешнему проводнику кабеля, а четвертая контактная площадка подключена к первому несущему трубчатому элементу (патент РФ №31466, МПК: H01Q 23/00, опубл. 10.08.2003 г.) - аналог.
Недостатком известного решения является
- антенна рассчитана на одновременное усиление и принимаемого и передаваемого сигналов, а следовательно охватывает широкий диапазон частот, причем максимальный коэффициент усиления сигнала приходится на середину данного диапазона, где реально отсутствуют какие-либо сигналы, усиление же на краях диапазона, где находятся полезные сигналы значительно ослаблено.
- антенна соединяется с абонентским устройством с помощью коаксиального кабеля, что в условиях высокой несущей частоты влечет за собой значительные потери полезного сигнала.
- завышены массогабаритные показатели, что затрудняет использование антенны в бытовых условиях, например, внутри жилого помещения.
Известна логопериодическая комбинированная антенна (ЛКА), содержащая первый модуль приема сигналов метрового диапазона волн, выполненный в виде симметричного вибратора, второй модуль приема сигналов дециметрового диапазона волн, содержащий ряд симметричных вибраторов, запитанных от двухпроводной распределительной линии из трубчатых проводников, возбуждаемой коаксиальным фидером, размещенным внутри одного из проводников двухпроводной распределительной линии, при этом каждый последующий симметричный вибратор в ряду запитан противофазно предшествующему симметричному вибратору, а размеры вибраторов и расстояния между ними выбраны в соответствии с принципом логарифмической периодичности, и третий модуль, обеспечивающий прием сигналов сантиметрового диапазона волн, содержащий ряд симметричных вибраторов, запитываемых от общей со вторым модулем ЛКА двухпроводной распределительной линии и ориентированных параллельно и в соответствующих плоскостях с вибраторами второго модуля ЛКА, причем в третьем модуле размеры вибраторов и расстояния между ними также соответствуют принципу логарифмической периодичности.
В логопериодической комбинированной антенне в третьем модуле приема сигналов сантиметровых длин волн симметричные вибраторы и двухпроводную распределительную линию выполняют в виде полосковых проводников на двух диэлектрических пластинах с односторонним монтажом, или на двух сторонах одной диэлектрической пластины (патент РФ №2427946, MПK:H01Q 11/10, опубл. 27.08.2011 г.) - аналог.
Недостатком известного решения является
- неоптимальная настройка антенны на диапазон частот передачи и приема сигналов сотовых сетей.
- избыточность проектировочного решения при использовании для передачи голоса и данных в сотовых сетях, и, следовательно, завышенная стоимость решения.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение, является обеспечение с помощью антенны надежной и высокоскоростной работы мобильных телефонов, модемов или беспроводных маршрутизаторов в диапазоне частот от 400 МГц до 5,5 ГГц, с обеспечением максимального усиления отдельно друг от друга принимаемого и передаваемого сигналов, посредством логопериодической формулы и возможности точного направления антенны на сотовую станцию.
Указанный технический результат достигается тем, что в логопериодической комбинированной универсальной антенне, выполненной из двухстороннего диэлектрического материала и содержащей, расположенные на обеих его сторонах два отдельных модуля, один из которых настроен для приема, а второй - для передачи сигнала, оба модуля электрически развязаны между собой и выполнены в виде полосковых проводников, размеры вибраторов и расстояния между которыми выбраны в соответствии с принципом логарифмической периодичности, устройство взаимодействия модулей с абонентским оборудованием выполнено в виде двух высокочастотных полосковых трансформаторов, каждый из которых электрически соединен с соответствующим модулем, и расположен на своей стороне диэлектрического материала с возможностью одновременного взаимодействия обоих высокочастотных полосковых трансформаторов с абонентским оборудованием, антенна, для ориентации на станцию приема и передачи сигнала, выполнена с возможностью вращения, для чего снабжена элементами крепления к внешней поверхности, и выполнена с возможностью крепления к ней в зоне расположения устройства взаимодействия модулей с абонентским оборудованием беспроводных модемов, сотовых телефонов или беспроводных маршрутизаторов.
Антенна, характеризующаяся тем, что два высокочастотных полосковых трансформатора, могут быть расположены на двух сторонах диэлектрического материала напротив друг друга.
Антенна, в которой два высокочастотных полосковых трансформатора могут быть соединены с приемным и передающим модулями соответственно посредством согласованного высокочастотного коаксиального кабеля.
Заявляемое решение конкретизировано на фиг.1-8, где на фиг.1 показан общий вид антенны, на фиг.2 - вид А на фиг.1 - сторона антенны для приема сигнала, на фиг.3 - вид Б на фиг.1, сторона антенны для передачи сигнала. На фиг 2 и 3 приведен вариант выполнения, при котором модули и высокочастотные полосковые трансформаторы выполнены на едином двухстороннем диэлектрическом материале, причем высокочастотные полосковые трансформаторы, расположены на двух сторонах диэлектрического материала напротив друг друга. На фиг.4 - вариант монтирования антенны на стекле. На фиг.5 и 6 - вариант, при котором модули и высокочастотные полосковые трансформаторы выполнены на едином двухстороннем диэлектрическом материале, причем высокочастотные полосковые трансформаторы, расположены на двух сторонах диэлектрического материала со смещением относительно друг друга. На фиг.7 и 8 показан вариант выполнения, когда модули и высокочастотные полосковые трансформаторы выполнены на разных (отдельных) элементах из двухстороннего диэлектрического материала и соединены друг с другом посредством высокочастотного коаксиального кабеля, причем на фиг.7 изображена сторона антенны для приема сигнала, а на фиг.8 - для передачи сигнала.
Логопериодическая комбинированная универсальная антенна, выполнена из двухстороннего диэлектрического материала 1 и содержит, расположенные на обеих его сторонах два отдельных модуля 2 и 3. Модуль 2 настроен, например, для приема сигнала, а модуль 3 - для передачи сигнала, оба модуля электрически развязаны между собой и выполнены в виде полосковых проводников 4, размеры вибраторов и расстояния между которыми выбраны в соответствии с принципом логарифмической периодичности. Взаимодействие модулей 2 и 3 с абонентским оборудованием (на фигурах не показано) осуществляется посредством устройств, выполненных в виде двух высокочастотных полосковых трансформаторов 5 и 6, каждый из которых электрически соединен с соответствующим модулем 2 или 3 (посредством полосковых проводников с условием сохранения геометрии модулей логопериодической антенны, том числе, как вариант, и посредством согласованного высокочастотного коаксиального кабеля 7) и расположен на своей стороне диэлектрического материала 1 или один напротив другого, или со смещением, но таким образом, чтобы оба полосковых трансформатора 5 и 6 были размещены относительно друг друга с возможностью взаимодействия (работы) с абонентским оборудованием одновременно.
Для ориентации на станцию приема и передачи сигнала, заявляемая антенна выполнена с возможностью вращения и снабжена элементами ее крепления 8 и 9 к внешней поверхности.
Заявляемая антенна выполнена с возможностью крепления к ней в зоне расположения устройства взаимодействия модулей с абонентским оборудованием беспроводных модемов, сотовых телефонов или беспроводных маршрутизаторов. Крепление возможно, например, с помощью хомутов-стяжек пластиковых (нейлоновых), лент-стяжек Velcro (липучек), двусторонней скотч-ленты и т.д.
Высокочастотные полосковые трансформаторы 5 и 6, расположены на двух различных сторонах диэлектрического материала 1. Их взаимное расположение может быть или напротив друг друга (фиг.2 и фиг.3, расстояние "а" - расстояние от края диэлектрического материала до полоскового трансформатора), или со смещением относительно друг друга (фиг.5 и фиг.6, расстояние "b" и расстояние "b1" - расстояния от края диэлектрического материала до соответствующих полосковых трансформаторов). Отсутствие или наличие смещения, а также, в последнем случае, его величина зависит от конкретных параметров антенны, условий ее работы и т.д., и определяется для каждого конкретного случая отдельно.
Условие взаимного расположения высокочастотных полосковых трансформаторов относительно друг друга - это отсутствие необходимости электрического согласования двух модулей 2 и 3, что достигается благодаря одновременной работе абонентского оборудования с обоими высокочастотными полосковыми трансформаторами 5 и 6, поэтому важно их нахождения рядом друг с другом.
Зона расположения двух высокочастотных полосковых трансформаторов может находиться в любом месте на двухстороннем диэлектрическом материале, при выполнении обязательного условия нахождения их рядом друг с другом с возможностью обеспечения одновременного взаимодействия обоих с одним и тем же абонентским оборудованием - мобильным телефоном, модемом или беспроводным маршрутизатором, закрепляемым непосредственно около этой зоны.
Размер и форма двухстороннего диэлектрического материала для размещения элементов антенны могут быть различными (треугольник, параллелограмм, круг, овал, многоугольник и т.д.) и зависят от требований к условиям работы антенны, возможности крепления антенны к внешней поверхности и т.д. Причем элементы 2-6 антенны могут быть размещены на едином (одном непрерывном) двухстороннем диэлектрическом материале с возможностью электрической связи высокочастотных полосковых трансформаторов 5 и 6 с модулями 2 и 3 в пределах одного общего элемента из двухстороннего диэлектрического материала, а могут на различных элементах двухстороннего диэлектрического материала (фиг.7 и 8) с соединением согласованным высокочастотным коаксиальным кабелем 7. Обязательным условием в данном случае является использование двухстороннего диэлектрического материала, что обусловлено необходимостью размещения на одной стороне антенного модуля, точно рассчитанного на передачу сигнала в узком диапазоне частот, а на другой стороне диэлектрического материала антенного модуля точно рассчитанного на прием сигнала в другом узком диапазоне частот. Модуль, работающий на прием сигнала, не работает на передачу, а модуль, работающий на передачу сигнала, не работает на прием. Данное условие справедливо, в том числе, для следующих протоколов передачи данных CDMA, UTMS, LTE, GSM, GPRS, EDGE, 2G, 3G, 4G и др.
Для изготовления антенны может использоваться, например, фольгированный диэлектрик: стеклотекстолит СФ - 1(2)-35 (18,50) ГОСТ 10316-78; гетинакс серий Вв, Гв, Дв по ГОСТ 2718-66; фторопласт - ФАФ - 4Д - 35(50), ФФ -4 -35(50), ФЛАН - 2,8/16,0, БРИКОР - АТ(АА, ФТ) ГОСТ 21000-81 и др.
Элементы крепления 8 и 9 антенны к внешней поверхности могут выполняться различными, в зависимости от характеристик внешней поверхности, например, при креплении антенны к стеклу - элементы крепления 8 и 9 выполняются в виде резиновых элементов, например, присосок, а при креплении к деревянной поверхности - в виде резьбового соединения и т.д. Во всех случаях крепления должно выполняться одно условие - антенна должна быть закреплена с возможностью вращения для осуществления настройки в направлении наилучшего качества приема и передачи. Угол вращения определяется вариантом крепления и формой наружной поверхности и может составлять, например |180°|.
Заявляемая логопериодическая комбинированная универсальная антенна работает следующим образом: сигнал станции оператора связи возбуждает в вибраторах антенны ток, который передается по полосковым бумам на высокочастотный трансформатор. В непосредственной близости от полоскового трансформатора находится абонентское оборудование со своим радиочастотным трактом, которое принимает излученный полосковым трансформатором сигнал. Усиление принимаемого абонентским оборудованием сигнала достигается посредством резонансного усиления приемного сигнала в вибраторах логопериодической антенны. Далее принятый и усиленный сигнал передается на согласованный и резонансно настроенный высокочастотный трансформатор. Передающий тракт логопериодической антенны работает аналогичным образом, только источником сигнала служит радиотракт абонентского оборудования и первоначальный сигнал возбуждает высокочастотную волну в передающей части полоскового трансформатора с соответствующей передачей электрического сигнала на вибраторы передающей части антенны, находящейся на другой стороне двухстороннего диэлектрического материала относительно приемной части антенны.
Примеры конкретного выполнения.
Пример 1.
Диапазон использования антенны: 2G CDMA сеть.
Двухсторонний диэлектрический материал - стеклотекстолит фольгированный СФ-1(2) - 35(18, 50) ГОСТ 10316-78.
Элементы антенны размещены на различных элементах двухстороннего диэлектрического материала и соединены согласованным высокочастотным коаксиальным кабелем.
Число вибраторов для передающего и приемного модулей - по 7. Примерный коэффициент усиления антенны - 10 Дб. Размеры пластины 250×350 [мм].
Пример 2.
Диапазон использования антенны: 3G UTMS сеть.
Материал: гетинакс Гф-1 Гв-50 ГОСТ 2718-66.
Элементы антенны размещены на едином двухстороннем диэлектрическом материале, высокочастотные полосковые трансформаторы электрически связаны с модулями приема и передачи сигнала в пределах одного общего элемента из двухстороннего диэлектрического материала без смещения.
Число вибраторов для передающего модуля - 9 и приемного - 12. Примерный коэффициент усиления антенны - 13 Дб. Размеры пластины 150×300 [мм].
Пример 3.
Диапазон использования антенны: 4G LTE сеть.
Двухсторонний диэлектрический материал - фторопласт фольгированный ФАФ - 4Д - 35(50).
Элементы антенны размещены на едином двухстороннем диэлектрическом материале, высокочастотные полосковые трансформаторы выполнены со смещением.
Число вибраторов для передающего и приемного модуля - по 12. Примерный коэффициент усиления антенны - 13 Дб. Размеры пластины 130×250 [мм].