Излучающая система для двухдиапазонной двухполяризационной антенны
RADIATING SYSTEM FOR A DUAL-BAND DUAL POLARIZED ANTENNA

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве антенны, работающей в системах беспроводной связи GSM, UMTS, WIFI, LTE и др.
Из существующего уровня техники известен патент на полезную модель № RU 172803 «Широкополосная направленная антенна с двойной поляризацией» (опубликован 24.07.2017). Широкополосная направленная антенна с двойной поляризацией содержит 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, а схема питания вибраторов каждой антенны выполнена на отрезках двухпроводной линии передачи, соединяющих входы вибраторов и несимметричную линию передачи.
Главным недостатком вышеописанной антенны является то, что антенна работает только в одном частотном диапазоне.
Известен патент № US 11847372 «Dual Band Stacked Patch Antenna» (опубликован 05.03.2009). Антенна содержит двухслойную подложку, при этом на каждом слое находятся патч антенны, расположенные вдоль общей оси и имеющие разные размеры. Питание антенны осуществляется путем подсоединения коаксиального кабеля к центру патча на верхней подложке, таким образом патч на нижней подложке является пассивным излучателем.
Недостатком вышеописанной антенны являются более узкие частотные диапазоны работы антенны, отсутствие второго входа для формирования излучения в ортогональной поляризации.
В качестве ближайшего прототипа рассмотрим универсальную антенну для сотовой связи, патент на полезную модель № RU 154396 (опубликован 20.08.2015), состоящую из активного вибратора, расположенного над проводящим экраном, симметрирующего устройства, коаксиального входа/выхода или ВЧ-линии передачи, экрана, держателей, защитного кожуха, П-образных шлейфов, дополненных шлейфами холостого хода и, по крайней мере, четырех пассивных вибраторов ВЧ-диапазона, отличающаяся тем, что дополнительно включает в себя два пассивных вибратора НЧ-диапазона.
Недостатком прототипа является отсутствие второго входа для формирования излучения в ортогональной поляризации.
Техническим результатом заявляемого изобретения является создание излучающей системы для двухдиапазонной двухполяризационной антенны с возможностью работы одновременно с двумя приемниками или двумя передатчиками и обеспечением работы системы связи, использующей поляризационное разделение каналов распространения радиоволн.
Указанный технический результат достигается за счет того, что излучающая система для двухдиапазонной двухполяризационной антенны, состоит 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, а 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.
Двухдиапазонная двухполяризационная антенна, которая изготавливается на основе заявляемой излучающей системы для двухдиапазонной двухполяризационной антенны содержит две антенны линейной поляризации с общим для них проводящим экраном, каждая из которых состоит из пары симметричных активных вибраторов, каждое плечо которых содержит большую и малую пластину, расположенных друг над другом, при этом схема питания антенны подключается к малой пластине, находящейся над большой пластиной, большая пластина расположена между общим экраном и малой пластиной. При этом плечи вибраторов первой антенны являются плечами вибраторов второй антенны, а оси вибраторов первой антенны параллельны друг другу и перпендикулярны осям вибраторов второй антенны. Дополнительно в каждой антенне применены четыре, общих для обеих антенн, пассивных вибратора ВЧ-диапазона в виде проводящих пластин и расположенных примерно над центрами плеч активных вибраторов. Также в конструкции антенн могут быть применены по два пассивных вибратора НЧ-диапазона для каждой антенны, расположенные вблизи от больших пластин плеч активных вибраторов. Дополнительно между большими пластинами, внутри каждого вибратора могут быть подключены реактивные нагрузки в виде шлейфов. К каждому активному вибратору или паре вибраторов подключается согласующе-симметрирующее устройство через линию передачи или напрямую. Выходы согласующе-симметрирующих устройств внутри пары параллельных вибраторов могут быть соединены с входами антенн через линии передачи или напрямую. Все излучающие элементы излучающей системы для двухдиапазонной двухполяризационной антенны выполняются в виде металлических пластин из листового металла с одинаковым способом обработки.
Сущность изобретения разъясняется фигурами 1, 2, 3, 4.
На фигуре 1 представлена излучающая система для двухдиапазонной двухполяризационной антенны в изометрии;
На фигуре 2 представлена излучающая система для двухдиапазонной двухполяризационной антенны в плоскости XY;
На фигуре 3 представлена излучающая система для двухдиапазонной двухполяризационной антенны в плоскости XZ;
На фигуре 4 представлены варианты схем питания одной антенны линейной поляризации, где:
1, 3, 13, 16 - малые пластины плеч активных вибраторов;
5, 14, 15, 17 - оси активных вибраторов;
2, 4, 9, 11 - пассивные вибраторы ВЧ-диапазона;
18, 19, 20, 21 - большие пластины плеч активных вибраторов;
6, 7, 10, 12 - входы активных вибраторов;
8 - общий проводящий экран антенны;
22, 23, 24, 25 - реактивные нагрузки (короткозамкнутые шлейфы);
26, 27, 28, 29 - реактивные нагрузки (шлейфы холостого хода):
30, 31, 32, 33 - пассивные вибраторы НЧ диапазона.
34 - выход схемы питания, подключаемый к входу 6 или 7 излучающей системы;
35, 37, 38, 40 - отрезки линий передач;
36, 39 - согласующе-симметрирующие устройства;
41 - выход схемы питания, подключаемый к входу 12 или 10 излучающей системы;
42 - вход схемы питания и одновременно вход одной из антенн с линейной поляризацией.
Двухдиапазонная двухполяризационная антенна, изготавливаемая на основе излучающей системы для двухдиапазонной двухполяризационной антенны содержит четыре активных вибратора (на фигурах не показаны), образованные четырьмя плечами (на фигурах не показаны), в свою очередь состоящие из четырех малых пластин 1, 3, 13, 16 и четырех больших пластин 18, 19, 20, 21, а также может содержать четыре пассивных вибратора ВЧ-диапазона (2, 4, 9, 11), может содержать четыре пассивных вибратора НЧ-диапазона 30, 31, 32, 33, может содержать восемь реактивных нагрузок 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, экрана 8, двух схем питания. Каждая схема питания содержит отрезки линий передачи 35, 37, 38, 40, согласующе-симметрирующие устройства 36, 39, входы схемы 42, и выходы 34, 41. Пластины 20, 18, 1, 16 образуют активный вибратор с осью 17, и входом 10, к его большим пластинам 20, 18 могут быть подключены реактивные нагрузки 24, 29 и этот активный вибратор связан с параллельным ему пассивным вибратором 30. Пластины 19, 21, 3, 13 образуют активный вибратор с осью 14, и входом 7, к его большим пластинам 19, 21 подключены реактивные нагрузки 22, 27 и он связан с пассивным вибратором 32. Пластины 18, 19, 13, 16 образуют активный вибратор с осью 15, и входом 12, к его большим пластинам 18, 19 могут быть подключены реактивные нагрузки 23, 28 и этот активный вибратор связан с параллельным ему пассивным вибратором 33. Пластины 20, 21, 1, 3 образуют активный вибратор с осью 5, и входом 6, к его большим пластинам 20, 21 могут быть подключены реактивные нагрузки 25, 26 и этот активный вибратор связан с параллельным ему пассивным вибратором 31. Плечи активных вибраторов и пассивные вибраторы могут быть выполнены в виде проводящих пластин или полос. Большие пластины 18, 19, 20, 21 плеч активных вибраторов располагаются между малыми пластинами 1, 3, 13, 16 и экраном 8. Пассивные вибраторы ВЧ-диапазона 2, 4, 9, 11 располагаются примерно над центром малых пластин 1, 3, 13, 16 плеч активных вибраторов. Пассивные вибраторы НЧ-диапазона 30, 31, 32, 33 могут быть расположены над большими пластинами 18, 19, 20, 21, или под ними, или на одном уровне с ними. Входы 6, 12 и 7, 10 активных вибраторов подключаются к выходам 34, 41 схем питания антенн. Выходы 34,41 могут соединяться с входом антенны 42 через отрезки линий передач 35, 37, 38, 40 и через согласующе-симметрирующие устройства 36, 39 по различным вариантам.
Антенна с линейной поляризацией, которая входит в состав излучающей системы для двухдиапазонной двухполяризационной антенны работает следующим образом: при подаче электромагнитного сигнала на вход схемы питания 42, сигнал распространяется через отрезки линий передач 35, 37, 38, 40 и согласующе-симметрирующие устройства 36, 39 к выходам 34, 41 схемы питания и далее попадает на входы активных вибраторов 10 и 7 соответственно. Схемы питания антенн симметричные и параллельные, те есть пути прохождении сигнала от входа 42 к выходам 34 и 41 одинаковые, что обеспечивает возбуждение активных вибраторов синфазно и с равной амплитудой. В НЧ-диапазоне, активные вибраторы содержащие пластины 1, 3, 13, 16, 18, 19, 20, 21 и пассивные вибраторы НЧ-диапазона 30, 31, 32, 33 вместе с экраном 8 формируют направленное излучение линейной поляризации, параллельной осям 17 и 14, в направлении нормали к экрану, в сторону этих пассивных вибраторов. В ВЧ-диапазоне, большие пластины 18, 19, 20, 21 выполняют функцию рефлекторов, функцию активных элементов выполняют малые пластины 1, 3, 13, 16, таким образом рефлекторы, активные вибраторы и пассивные вибраторы ВЧ-диапазона 2, 4, 9, 11 формируют направленное излучение с линейной поляризацией, параллельной осям 17 и 14, в сторону пассивных вибраторов ВЧ-диапазона. Применение реактивных нагрузок 27 и 29 в виде шлейфов холостого хода, подключаемых к большим пластинам 19, 21 и 20, 18 соответственно, позволяет улучшить работу этих пар пластин в качестве рефлекторов в нижней части ВЧ-диапазона, где данные шлейфы имеют малое реактивное сопротивление, увеличивают связь между пластинами внутри пар, и пластины образуют один рефлектор, имеющий большую электрическую длину нежели отдельные пластины внутри пары. В НЧ диапазоне, реактивные нагрузки 27 и 29 имеют реактивное сопротивление емкостного характера, которое влияет на входное сопротивление активного вибратора. Для компенсации изменения входного сопротивления активного вибратора, к большим пластинам 19, 21 и 20, 18 подключены реактивные нагрузки 22 и 24 соответственно. Реактивные нагрузки 22, 24 могут быть выполнены в виде проводящих перемычек/шлейфов.
Аналогичным образом работает вторая антенна, имеющая схему питания идентичную схеме питания первой антенны, имеющая входы вибраторов 6,12 и имеющая общие с первой антенной плечи активных вибраторов. Вторая антенна, в НЧ и ВЧ диапазонах, формирует направленное излучение с линейной поляризацией, параллельной осям 5 и 15, в том же направлении, что и первая антенна. Применение реактивных нагрузок 26 и 28 в виде шлейфов холостого хода, подключаемых к большим пластинам 20, 21 и 18, 19 соответственно, позволяет улучшить работу этих пар пластин в качестве рефлекторов в нижней части ВЧ-диапазона, где данные шлейфы имеют малое реактивное сопротивление, увеличивают связь между пластинами внутри пар, и пластины образуют единый рефлектор имеющий большую электрическую длину нежели отдельные пластины внутри пары. В НЧ диапазоне, реактивные нагрузки 26 и 28 имеют реактивное сопротивление емкостного характера, которое влияет на входное сопротивление активного вибратора. Для компенсации изменения входного сопротивления активного вибратора, к большим пластинам 20, 21 и 18, 19 подключены реактивные нагрузки 25 и 23 соответственно. Реактивные нагрузки 23, 25 могут быть выполнены в виде проводящих перемычек/шлейфов.
В результате две антенны способны независимо друг от друга формировать излучение в одинаковом направлении, но с взаимно ортогональными поляризациями и в двух частотных диапазонах. Благодаря этому излучающая система для двухдиапазонной двухполяризационной антенны может работать одновременно с двумя приемниками или двумя 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 НЧ диапазоне - не более 1.9, ВЧ-диапазоне - не более 1,6;
- коэффициент усиления 8.5 дБ в НЧ-диапазоне и 10÷15 дБ в ВЧ-диапазоне по отношению к изотропному излучателю;
- развязка между входами антенны более 15 дБ в НЧ-диапазоне и более 30 дБ ВЧ-диапазоне;
- уровень боковых лепестков излучения не более - 9 дБ;
- отношение вперед/назад не менее 11 дБ в НЧ-диапазоне и более 14 дБ в ВЧ-диапазоне
- размеры антенны 240 мм*240 мм*72 мм.
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».