ДВУХДИАПАЗОННЫЙ ДВУХПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ АНТЕННЫЙ МОДУЛЬ
DUAL-BAND BIPOLARIZATION ANTENNA MODULE

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве самостоятельной антенны или в составе антенной системы для беспроводной связи в дециметровом и сантиметровом диапазонах волн.
Из существующего уровня техники известна широкополосная направленная антенна с двойной поляризацией (Патент RU 172803 U1, 24.07.2017, H01Q5/00), содержащая две антенны с линейной поляризацией, имеющие общий экран, каждая из которых состоит из, по крайней мере, двух активных вибраторов, причем плечи активных вибраторов одной антенны являются плечами активных вибраторов второй антенны, причём, схема питания вибраторов каждой антенны выполнена на отрезках двухпроводной линии передачи, соединяющих входы вибраторов и несимметричную линию передачи.
Из уровня техники также известна излучающая система для двухдиапазонной двухполяризационной антенны (Патент RU 2713160 C1, 04.02.2020, H01Q1/00), состоящая из двух антенн линейной поляризации с общим проводящим экраном, каждая из которых состоит из пары симметричных активных вибраторов, причем плечи активных вибраторов одной антенны являются плечами активных вибраторов второй антенны, отличающаяся тем, что каждое плечо антенны содержит большую и малую пластину, расположенные друг над другом, при этом схема питания антенны подключается к малой пластине, находящейся над большой пластиной, а большая пластина расположена между общим экраном и малой пластиной.
Главный недостаток данных антенн - большие габариты конструкций, которые затрудняют их использование в качестве элемента антенной решетки или облучателя в составе зеркальной антенны.
Наиболее близким техническим решением в качестве ближайшего прототипа является унифицированный антенный модуль (Патент RU 2709031 C1, 13.12.2019, H01Q1/38), содержащий металлический экран, на котором установлены излучатели высокочастотного диапазона в виде квадратных металлических пластин, соединенных отрезками коаксиального кабеля равной длины с входами многоканального делителя (сумматора) мощности, установленного на металлическом экране, и излучатели низкочастотного диапазона, установленные над металлическим экраном выше излучателей высокочастотного диапазона, причём, металлический экран выполнен в виде квадратной пластины со стороной около половины длины волны низкочастотного диапазона, квадратные металлические пластины излучателей высокочастотного диапазона имеют размер стороны не менее 0,3 длины максимальной волны высокочастотного диапазона, снабжены узкими пазами длиной до 0,4 длины стороны квадратной металлической пластины высокочастотного диапазона, расположенными в середине каждой стороны квадратной металлической пластины перпендикулярно ей, к двум противоположным узким пазам через отрезки коаксиального кабеля равной длины присоединен входной коаксиальный кабель, выведенный через центр квадратной металлической пластины к металлическому экрану и присоединенный к одному из выходов делителя (сумматора), расстояние между центрами излучателей высокочастотного диапазона составляет (0,4÷1,0) максимальной длины волны высокочастотного диапазона, а излучатели низкочастотного диапазона выполнены в виде тонкого симметричного разрезного вибратора, к которому входной коаксиальный кабель присоединен через высокоомный четвертьволновой трансформатор и симметрирующее устройство в виде проводника длиной около четверти длины волны низкочастотного диапазона, присоединенного одним концом к плечу тонкого разрезного симметрирующего вибратора, к которому присоединен центральный проводник высокоомного четвертьволнового трансформатора, а другим концом к внешнему проводнику входного коаксиального кабеля и расположенного параллельно ему на расстоянии не менее 1/20 длины проводника.
Недостатком прототипа является то, что питание высокочастотной и низкочастотной части модуля выполнено независимо друг от друга, что вынуждает использовать дополнительную схему сложения, и ведет к усложнению конструкции. Кроме того, расположение низкочастотного излучателя над высокочастотными может привести к искажению диаграммы направленности высокочастотных излучателей.
Техническим результатом заявляемого изобретения является создание компактного двухдиапазонного двухполяризационного антенного модуля с возможностью работы одновременно с двумя двухдиапазонными приемопередатчиками в системе связи, использующей поляризационное разделение каналов.
Указанный технический результат достигается за счет того, что двухдиапазонный двухполяризационный антенный модуль содержит две антенны с линейной поляризацией излучаемого поля, при этом упомянутые антенны имеют общие проводящий экран, расположенное над экраном кольцо, и пластину, помещенную в кольцо. Активными возбуждающими элементами первой антенны являются пара щелей, прорезанных в краях пластины, на одной оси, проходящей через центр пластины. Активными возбуждающими элементами второй антенны являются пара щелей, прорезанных в краях пластины, на второй оси, проходящей через центр пластины, и перпендикулярной первой оси.
В частности, для расширения рабочей полосы антенн в ВЧ-диапазоне, может быть использован, по меньшей мере, один пассивный вибратор, расположенный над центром пластины или, по меньшей мере, один пассивный вибратор, расположенный над каждой щелью.
Для расширения рабочей полосы в НЧ-диапазоне каждая антенна может быть дополнена, по меньшей мере, одним пассивным вибратором, находящимся между экраном и пластиной, и/или, по меньшей мере, двумя пассивными вибраторами, расположенными над краями кольца. В случае расположения пассивных НЧ вибраторов обеих антенн между пластиной и экраном упомянутые вибраторы могут быть объединены и/или соединены в общую целую деталь крестообразной формы.
По периметру кольца могут быть установлены реактивные нагрузки в виде шлейфов для улучшения согласования в НЧ-диапазоне, и в результате деталь кольца может иметь переменное сечение.
Схема питания для синфазного возбуждения двух щелей каждой антенны может быть параллельной и выполнена на двух отрезках линии передачи одинаковой длины. Схема питания может дополнительно содержать симметрирующие и/или согласующие устройства.
Сущность изобретения разъясняется фигурами 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, на которых представлены частные случаи исполнения заявляемого двухдиапазонного двухполяризационного антенного модуля:
на фигуре 1 представлена вариация двухдиапазонного двухполяризационного антенного модуля с одним ВЧ-вибратором над проводящей пластиной и НЧ-вибраторами между пластиной и экраном, а также с четырьмя реактивными нагрузками в виде шлейфов на краях кольца в изометрии; на фигуре 2 представлена вариация двухдиапазонного двухполяризационного антенного модуля с одним ВЧ-вибратором над проводящей пластиной и НЧ-вибраторамимежду пластиной и экраном, а также с четырьмя реактивными нагрузками в виде шлейфов на краях кольца в плоскости XY; на фигуре 3 представлена вариация двухдиапазонного двухполяризационного антенного модуля с одним ВЧ-вибратором над проводящей пластиной и НЧ-вибраторами между пластиной и экраном, а также с четырьмя реактивными нагрузками в виде шлейфов на краях кольца в плоскости XZ; на фигуре 4 представлена вариация двухдиапазонного двухполяризационного антенного модуля с одним ВЧ-вибратором над проводящей пластиной и НЧ-вибраторами над краями кольца, а также с четырьмя реактивными нагрузками в виде шлейфов на краях кольца в изометрии; на фигуре 5 представлена вариация двухдиапазонного двухполяризационного антенного модуля с одним ВЧ-вибратором над проводящей пластиной и НЧ-вибраторами над краями кольца, а также с четырьмя реактивными нагрузками в виде шлейфов на краях кольца в плоскости XY; на фигуре 6 представлена вариация двухдиапазонного двухполяризационного антенного модуля с четырьмя ВЧ-вибраторами над каждой щелью и НЧ-вибратором между пластиной и экраном, а также с четырьмя реактивными нагрузками в виде шлейфов на краях кольца в изометрии; на фигуре 7 представлена вариация двухдиапазонного двухполяризационного антенного модуля с четырьмя ВЧ-вибраторами над каждой щелью и НЧ-вибратором между пластиной и экраном, а также с четырьмя реактивными нагрузками в виде шлейфов на краях кольца в плоскости XY, где:
1, 2, 3, 4 – активные щели;5 – пластина, в которой прорезаны щели;6 – общий экран;7, 8, 16, 17, 18, 19 – пассивные вибраторы НЧ-диапазона;9 – проводящее кольцо; 20, 21, 22, 23, 24  – Пассивные вибраторы ВЧ-диапазона;10, 11 – Оси, проходящие через щели;12, 13, 14 ,15 – реактивные нагрузки (шлейфы).
Двухдиапазонная двухполяризационная антенна, изготавливаемая на основе двухдиапазонного двухполяризационного антенного модуля, содержит общий проводящий экран (6), четыре щели (1,2,3,4), вырезанные в проводящей пластине (5), проводящее кольцо (9), на котором могут присутствовать реактивные нагрузки (12,13,14,15), а также может содержать пассивные вибраторы НЧ-диапазона (7,8 или 16,17,18,19), пассивные вибраторы ВЧ-диапазона (20,21,22,23 или 24), две схемы питания (на рисунках условно не показаны).
Первая антенна с линейной поляризацией, входящая в состав двухдиапазонного двухполяризационного антенного модуля, работает следующим образом: при подаче электромагнитного сигнала на вход схемы питания этой антенны, сигнал распространяется через отрезки линий передач и согласующе-симметрирующие устройства, и возбуждает щели, прорезанные в пластине и лежащие на одной оси. При использовании в схеме питания одинаковых отрезков линий передач, одинаковых симметрирующе-согласующих устройств обеспечивается синфазное и равноамплитудное возбуждение щелей.
При синфазном питании двух, лежащих на одной оси, щелей (1,3), формируется сигнал линейной поляризации, параллельный оси 11. В НЧ-диапазоне, пластина(5), проводящее кольцо (9), дополненное нагрузками (12,13,14,15) для улучшения согласования, и пассивные вибраторы (7 или 17, 19) вместе с экраном (6) формируют направленное излучение, от экрана в сторону остальных элементов антенны. В ВЧ-диапазоне, пластина со щелями (5) и пассивные вибраторы (21,23 или 24) вместе с экраном (6) формируют направленное излучение с линейной поляризацией, параллельной оси 11, от экрана в сторону остальных элементов антенны.
Вторая антенна в составе двухдиапазонного двухполяризационного антенного модуля работает аналогичным образом, но в ее состав входят две другие щели (2,4), лежащие на оси 11. При синфазном питании этих щелей формируется сигнал линейной поляризации, параллельный оси 10. В НЧ-диапазоне, пластина со щелями (5), проводящее кольцо (9), дополненное неравномерностями (12,13,14,15), и пассивные вибраторы (8или 16,18) вместе с экраном (6) формируют направленное излучение, от экрана в сторону остальных элементов антенны. В ВЧ-диапазоне, пластина со щелями (5) и пассивные вибраторы (20,22 или 24) вместе с экраном (6) формируют направленное излучение с линейной поляризацией, параллельной оси 10, от экрана в сторону остальных элементов антенны.
В результате антенный модуль способен сформировать два независимых излучения в двух частотных диапазонах и в одинаковом направлении, но с взаимно ортогональными поляризациями. Благодаря этому двухдиапазонный двухполяризационный антенный модуль может работать одновременно с двумя приемниками/передатчиками и обеспечивать работу системы связи, использующую поляризационное разделение каналов распространения радиоволн.
Описанные варианты конструкций позволили получить следующие основные характеристики при реализации направленной антенны с НЧ-диапазоном - 790÷960 МГц и ВЧ-диапазоном 1700÷2700 МГц:
- коэффициент стоячей волны (КСВ) по входам антенны, в двух частотных диапазонах – не более 2;
- коэффициент усиления 7.5 дБ в НЧ-диапазоне и 8,5÷10 дБ в ВЧ-диапазоне по отношению к изотропному излучателю;
- развязка между входами антенны более 28дБ во всём рабочем диапазоне;
- уровень боковых лепестков излучения не более -13 дБ;
- отношение вперед/назад не менее 9 дБ в НЧ-диапазоне и не менее 14 дБ в ВЧ-диапазоне
- размеры антенны 200мм*200мм*63мм.
Анализ патентной и научно-технической литературы не выявил технических решений с подобной совокупностью существенных признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» заявляемого изобретения.
Заявляемые существенные признаки, предопределяющие получение указанного технического результата, явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности «изобретательский уровень».