ШИРОКОПОЛОСНАЯ АБОНЕНТСКАЯ АНТЕННА (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к антенной технике и может быть использована в качестве абонентской антенны сетей беспроводного доступа.
Из существующего уровня техники известна абонентская антенна №2368042 от 19.02.2007 (опубликована 20.09.2009, бюл. №26), которая состоит из излучателя в виде двух рамок, расположенных в одной плоскости, с периметром, равным средней длине волны основного диапазона, рамки соединены между собой посредством короткозамкнутых шлейф-вибраторов и питаемых в точках нулевого потенциала одной из рамок, длина короткозамкнутых шлейфов находится в пределах 0,2-0,25 средней длины волны, в точки нулевого потенциала второй рамки через подобные шлейфы подключены последовательно один и более аналогичные излучатели, образующие излучающие модули антенной решетки, которые расположены на лицевой поверхности радиопрозрачного основания и посредством симметрирующих устройств подключены к схеме питания. Схема питания оснащена разъемом и фольгированным стеклотекстолитом, металлизированная сторона которого служит отражающим экраном антенны.
Недостатком вышеприведенного аналога антенны является:
- наличие диэлектрических материалов вблизи излучателей и линии питания, что приводит к снижению КПД антенны и усложнению технологии производства антенны в целом.
Также известна абонентская антенна №102855 от 20.09.2010 (опубликована 20.03.2011), решетка которой содержит несколько этажей излучающих модулей, расположенных на лицевой поверхности радиопрозрачного основания и подключенных к выполненной методом печатной технологии схеме питания, и составленных из соединенных друг с другом рамок, имеющих периметр, равный средней длине волны основного диапазона, рамки питаются в точках нулевого потенциала одной из рамок и соединены друг с другом с перекрещиванием.
Недостатками вышеприведенного аналога антенны являются:
- меньшая полоса рабочих частот ввиду применения последовательно/параллельной схемы питания излучателей;
- наличие диэлектрических материалов вблизи излучателей и линии питания, что приводит к снижению КПД антенны и усложнению технологии производства антенны в целом.
В качестве ближайшего прототипа рассмотрим патент US 3475758 «Wide band radiating system embodying disc-type dipoles» (опубликован 28.10.1969). Антенна по прототипу состоит из экрана, двух вибраторов с плечами дискообразной формы, держателей, симметричной линии питания и симметрирующего устройства. Вибраторы и экран изготовлены из проводящих материалов, держатели изготовлены из диэлектрического материала. Диски расположены в одной плоскости бок о бок впарах, размеры вибраторов достигают около λ/2 на средней частоте рабочего диапазона. Расстояние между плоскостями экрана и диполей около λ/4. Симметрирующее устройствоподключено ксредней точкесимметричной линии передачи, которая питает вибраторы, к этой же точке подключенкоаксиальный кабель с волновым сопротивлением 500 м. Линия питания выполнена на отрезках двухпроводной линии передачи. Симметрирующее устройство представляет собой короткозамкнутый мостик, одним из плеч которого является внешний проводник коаксиального кабеля, а другим металлический проводник.
Недостатками прототипа являются:
- наличие диэлектрических держателей, скрепляющих экран и излучатели;
- наличие отрезка коаксиальной линии передачи в симметрирующем устройстве;
- большие габариты;
- низкий коэффициент усиления;
- низкая технологичность антенны в условиях производства.
Технической задачей полезной модели является создание универсальной широкополосной технологичной малогабаритной антенны, имеющей высокий коэффициент усиления и низкий коэффициент отражения от входа в полосе частот +/-25%.
Технический результат - увеличение коэффициента усиления широкополосных вибраторов и связанных с ними пассивных широкополосных вибраторов, повышение технологичности антенны.
Для достижения указанных технических результатов представлено два варианта широкополосной абонентской антенны.
В первом и втором вариантах широкополосная абонентская антенна содержит два активных симметричных вибратора, плечи которых представляют собой металлические диски диаметром около 0,46 длины волны на средней частоте и закрепленные при помощи металлических держателей над проводящим экраном на расстоянии 0,11 длины волны. Дополнительно в антенне применены четыре пассивных вибратора в виде дисков диаметром 0,34 длины волны на средней частоте и расположенных над центрами плечактивных вибраторов на расстоянии 0,073 длины волны при помощи металлических держателей в точках нулевого потенциала. Схема питания вибраторов параллельная и выполнена на двухпроводной линии передачи, содержащей плоские проводящие элементы. Для согласования антенны сечение линии передачи плавно изменяется на участке между входами вибраторов и симметрирующим устройством. Симметрирующее устройство содержит три плоских элемента, которые осуществляют передачу электромагнитной энергии от коаксиального входа антенны к двухпроводной линии и дополнительно выполняют функцию согласования антенны. Коаксиальный вход закреплен на экране антенны. Для защиты антенны от агрессивных воздействий на экран закрепляется диэлектрический кожух со стороны излучающих элементов. Плечи активных элементов, линия питания, пассивные вибраторы, симметрирующее устройство и экран выполнены из листового металла.
Сущность полезной модели поясняется чертежами (Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3).
На фигуре 1 представлен общий вид антенны, где:
1 - плоскость симметрии;
2 - плечи активных вибраторов;
3 - экран антенны;
4 - пассивные вибраторы;
5, 6 - металлический держатель;
7, 8 - проводники двухпроводной линии передачи;
9 - точки питания плеч активных вибраторов;
10, 11, 12 - проводники симметрирующего устройства;
13 - коаксиальный вход/выход антенны;
15- защитный диэлектрический кожух антенны;
16 - диаметр диска/плеча активного вибратора;
17 - расстояние между экраном и активным вибратором;
18 - размер активного вибратора;
19 - расстояние между активными вибраторами;
20 -расстояние между активными и пассивными вибраторами;
21 - диаметр пассивных вибраторов;
22 - размер экрана.
На фигуре 2 изображен фрагмент антенны с симметрирующим устройством, коаксиальным выходом антенны и частью двухпроводной линии, раскрывающий особенность конструкции антенны, где:
3 - экран антенны;
7, 8 - проводники двухпроводной линии передачи;
10, 11, 12 - проводники симметрирующего устройства;
14 - центральный контакт коаксиального выхода антенны;
23, 24, 25 - дополнительные проводящие полигоны.
На фигуре 3 изображен фрагмент разреза антенны по плоскости симметрии 1, где:
3 - экран антенны;
7, 8 - проводники двухпроводной линии передачи;
10, 11, 12 - проводники симметрирующего устройства;
13 - коаксиальный выход антенны;
14 - центральный контакт коаксиального выхода антенны.
В первом и втором вариантах широкополосная абонентская антенна имеет плоскость симметрии 1 и состоит из двух активных вибраторов, четырех пассивных вибраторов 4, линии питания, проводящих металлических держателей 5, 6, симметрирующего устройства (на фигуре не показано), коаксиального входа/выхода 13, экрана 3 и защитного диэлектрического кожуха 15. Плечи активных вибраторов выполнены в виде проводящих дисков 2 диаметром 16, который равен (0,43÷0,48)*λ на средней частоте и расположены параллельно экрану 3 на расстоянии 17 равном 0,06÷0,16*λ. Размер активного вибратора 18 составляет (0,93÷1,13)*λ, а расстояние между активными вибраторами 19 равно (0,6÷0,8)*λ на средней частоте. На расстоянии 20 равном 0,06÷0,08*λ от активных вибраторов параллельно расположены четыре пассивных вибратора в виде дисков 4 диаметром 21 равным (0,32÷0,37)*λ на средней частоте. При этом центр каждого из четырех дисков 4 расположен над центром одного из четырех дисков 2 и лежит с ним на одной оси перпендикулярной плоскости экрана 3. Диски пассивных вибраторов 4 прикреплены к дискам активных вибраторов при помощи металлических держателей 5. Диски 2 активных вибраторов, в свою очередь, прикреплены к экрану 3 при помощи металлических держателей 6. Питание активных вибраторов осуществляется посредством симметричной двухпроводной линии передачи выполненной из проводящих полосок 7 и 8, которые расположены в плоскости активных вибраторов. Расстояние между полосками и их ширина плавно меняется на участке от точек питания плеч активных вибраторов 9 до симметрирующего устройства. Симметрирующее устройство образовано тремя проводящими полосками 10, 11 и 12, при этом полоски расположены в параллельных плоскостях, ортогональных плоскости экрана и плоскости симметрии антенны. Полоски 10 и 12 одними концами контактируют с экраном 3, а другими концами контактируют с полосками двухпроводной линии 7 и 8 соответственно. Полоска 11 с полоской 10 образуют несимметричную полосковую линию передачи, и расстояние между этими полосками примерно равно зазору между полосками 7 и 8 в плоскости симметрии антенны и составляет (0,005÷0,02)*λ, а расстояния между полосками 11 и 12 примерно равно ширине полоски 8 в плоскости симметрии антенны и составляет (0,01÷0,06)*λ. Полоска 11 одним концом контактирует с полоской 8, а другим концом с центральным контактом коаксиального входа 13 антенны. Полоски 10, 12 вблизи экрана имеют дополнительные полигоны 24 и 23, отогнутые в плоскость параллельную экрану и облегчающие создание контакта с экраном 3. Полоска 11 имеет дополнительный полигон 25, являющийся контактной площадкой для центрального контакта 14 коаксиального выхода 13. Размер экрана 22 составляет (1,05÷2,95)*λ.
Экран, пассивные вибраторы, активные вибраторы, схема питания и симметрирующее устройство выполнены из листового металла с одинаковым способом обработки.
Особенностью конструкции второго варианта широкополосной абонентской антенны, является то, что полоска 8, контактирующие с ней диски 2, полоски 11 и 12, полигоны 23 и 24 образуют одну целую деталь, изготавливаемую из листового металла методом штамповки или резки с последующей гибкой для формирования требуемого положения проводников симметрирующего устройства относительно плоскости, в которой находятся плечи активныхвибраторов 2 и полоска 8. Аналогично изготавливается деталь объединяющая полоску 7, контактирующие с ней плечи активных вибраторов 2, полоску 10 и полигон 25.
Дополнительную жесткость конструкции обоих вариантов широкополосной абонентской антенны придает применение металлических держателей 5 и 6 для фиксации вибраторов в точках нулевого потенциала, а также диэлектрический кожух 15 скрепленный с экраном 3 таким образом, что закрывает вибраторы и защищает их от внешних воздействий.
Широкополосные абонентские антенны работают следующим образом:
При подаче ВЧ-сигнала на симметрирующее устройство через коаксиальный вход/выход 13 на полосках 7 и 8 двухпроводной линии передачи возбуждаются ВЧ-токи равной амплитуды и противоположные по направлению. В результате активные вибраторы антенны питаются синфазно, с равной амплитудой и вместе с пассивными вибраторами 4 формируют излучение линейной поляризации в направлении нормали экрана 3. Ширина главного лепестка диаграммы направленности в горизонтальной плоскости (X0Z) в большинстве зависит от расстояния между активными вибраторами 19 и размеров экрана 22, а в вертикальной плоскости (Y0Z) от размеров экрана 22 и размера 18 активных вибраторов.
Описанные варианты конструкций позволили получить следующие основные характеристики при реализации антенны в диапазоне частот 1700-2700 МГц:
- коэффициент стоячей волны (КСВ) по входу антенны в вариантах согласования с коаксиальными линиями с волновым сопротивлением 50 Ом и 75 Ом не более 1,5;
- коэффициент усиления в указанном диапазоне частот 12,5÷15,0 дБ по отношению к изотропному излучателю;
- уровень бокового излучения не более -12 дБ;
- размеры антенны с учетом размеров кожуха 240 мм*240 мм*32 мм.
При этом размеры антенны лежат в середине указанных диапазонов. В случае изменений размеров антенны к краям диапазонов получены следующие характеристики антенны в диапазоне частот 1700-2700 МГц:
- коэффициент стоячей волны (КСВ) по входу антенны в вариантах согласования с коаксиальными линиями с волновым сопротивлением 50 Ом и 75 Ом не более 3,5;
- коэффициент усиления 8,0÷13,0 дБ по отношению к изотропному излучателю;
- уровень бокового излучения не более -9 дБ.
Полученные в результате испытаний данные подтверждают возможность получения технического результата при выборе размеров антенны в середине указанных диапазонов и по краям указанных диапазонов. Таким образом, очевидно, что технический результат достигается на всем интервале указанных параметров. Приведенные данные объективны и получены в результате проведения реальных испытаний антенны.
Высокий коэффициент усиления антенны в рабочем диапазоне частот достигается за счет: применения увеличенных активных вибраторов, и как следствие имеющих большую эффективную площадь, создания антенной решетки на их основе с параллельной схемой питания. Низкий коэффициент отражения достигнут за счет использования широкополосных пассивных вибраторов, оптимизации размеров вибраторов и их взаимного расположения, особенностей геометрии линии питания и симметрирующего устройства.