НИЗКОПРОФИЛЬНАЯ ШЕСТИКОНТУРНАЯ КОРОТКОЗАМКНУТАЯ ЩЕЛЕВАЯ Omni АНТЕННА ДЛЯ СВЧ-ДИАПАЗОНА ЧАСТОТ
LOW-PROFILE SIX-LOOP SHORT-CIRCUITED SLIT ANTENNA FOR MICROWAVE FREQUENCY RANGE

Изобретение относится к антенной технике, предназначенной для использования в качестве антенны транспортного средства, преимущественно железнодорожного транспорта, и может быть использовано в системах радиосвязи между подвижными объектами, в частности для передачи или приема в системе радиотелефонной сотовой связи, в частности системах, использующих стандарт DECT.
Системы подвижной радиосвязи на базе стандарта DECT относятся к классу систем беспроводного доступа. Среди приложений DECT-системы для дома и малого офиса, микросотовые корпоративные системы, системы абонентского радиодоступа (WLL), системы доступа к сети GSM, микросотовые системы общего пользования (СТМ), системы доступа к локальной сети, предоставляющие голосовую телефонию, факс, модем, электронную почту, Internet, X.25 и многие другие услуги. Преимущества систем, работающих по стандарту DECT, позволили установить их на транспортные средства, в частности на объекты железнодорожного транспорта.
Известна антенна (SU, авторское свидетельство 1467628), содержащая металлический диск, расположенный над металлическим экраном, металлический цилиндрический короткозамыкатель, соединяющий центр металлического диска с металлическим экраном, штыревой возбуждающий зонд, первый конец которого подключен к металлическому диску, пассивный согласующий элемент, расположенный между металлическим диском и металлическим экраном, питающий фидер, внутренний проводник которого подключен ко второму концу штыревого возбуждающего зонда, а внешний к металлическому экрану.
Недостатком известной антенны можно признать ее непригодность для использования в системе связи по стандарту DECT. Кроме того, известная антенна обладает следующими недостатками: низким коэффициентом усиления из-за уменьшения габаритов антенны за счет введения пассивного согласующего элемента, а также низкой эксплуатационной надежностью из-за малой механической прочности ее конструкции.
Известна также антенна (US, патент 4635068), содержащая металлический экран, диск из проводящего материала, установленный параллельно металлическому экрану, центральный электропроводный штырь, расположенный между диском и экраном, коаксиальную линию передачи, содержащую внутренний проводник, соединенный одним концом с центральным электропроводным штырем и окруженный диэлектриком, и внешний проводник, имеющий фланец с резьбой, который соединен с металлическим экраном, и настроечные элементы, выполненные в виде периферийных электропроводных штырей, соединяющих диск с экраном.
Недостатком известной антенны можно признать ее непригодность для использования в системе связи по стандарту DECT. Кроме того, недостатками антенны можно признать сложность согласующего устройства антенны, а также низкая эксплуатационная надежность из-за низкой механической прочности антенны в наиболее критической зоне (края антенны).
Известна также (ЕР, патент 117017) антенна, содержащая металлический экран и диск из проводящего материала, установленные параллельно друг другу и разделенные диэлектриком, коаксиальную линию передачи, внутренний проводник которой соединен с центром диска, а внешний проводник снабжен фланцем, посредством которого соединен с металлическим экраном, настроечные элементы в виде электропроводных штырей, соединяющих диск и металлический экран, обтекатель из радиопрозрачного материала, установленный на металлический экран, закрывающий диск и настроечные элементы, и крепление, обеспечивающее электрический контакт металлического экрана с установочной поверхностью объекта.
Недостатком известной антенны можно признать ее непригодность для использования в системе связи по стандарту DECT. Кроме того, известная антенна обладает следующими недостатками: сложность согласования из-за неопределенности размеров электропроводных штырей, а также неопределенности их расположения в раскрыве антенны, что в свою очередь ведет к асимметрии диаграммы направленности антенны и снижению коэффициента усиления.
Известен (RU, патент 2406226) антенный модуль системы контроля безопасности и связи пассажирского поезда, содержащий металлическое основание, на котором размещены две базовые станции DECT, закрытые экранизирующими кожухами, на основании дополнительно закреплены два ТЭНа, каждый из которых установлен с возможностью обогрева одной из базовых станций DECT при наружных температурах ниже -20°C, и кронштейн, на котором закреплены две кросс-поляризованные антенны, каждая из которых подключена к одной из базовых станций DECT, внутри антенного модуля размещен термодатчик, причем базовые станции DECT и термодатчик выполнены с возможностью подключения к центральной управляющей системе контроля безопасности и связи пассажирского поезда, а ТЭНы выполнены с возможностью подключения к источнику питания, который находится в центральной управляющей системе, при этом весь антенный модуль закрыт радиопрозрачным колпаком.
Недостатком известного антенного модуля следует признать сложность конструкции, а также значительные размеры.
Техническая задача, решаемая посредством разработанной конструкции, состоит в расширении ассортимента антенн СВЧ-диапазона частот, пригодных для использования на транспортном средстве.
Технический результат, получаемый при реализации разработанной конструкции антенны, состоит в упрощении конструкции при одновременном повышении надежности радиосвязи между абонентами, по меньшей мере, один из которых находится в движущемся транспортном средстве.
Для достижения указанного технического результата предложено использовать низкопрофильную шестиконтурную короткозамкнутую щелевую Omni антенну для СВЧ-диапазона частот разработанной конструкции. Низкопрофильная шестиконтурная короткозамкнутая щелевая Omni антенна для СВЧ-диапазона частот, имеющая косекансную форму диаграммы направленности в вертикальной плоскости содержит металлическое плоское основание, в центре которого размещена приборная розетка радиочастотного соединителя, причем центральный проводник тыльной части соединителя представляет собой элементарный излучатель, настроенный на среднюю частоту рабочего диапазона, указанный центральный проводник соединен с дополнительно введенным токопроводящим плоским экраном, находящимся над основанием антенны на высоте, определяемой выбранным рабочим диапазоном частот и требуемыми формой и шириной диаграммы направленности в вертикальной плоскости, при этом токопроводящий плоский экран соединен с основанием антенны симметрично размещенными относительно геометрического центра антенны с угловым интервалом 60° шестью металлическими короткозамыкателями, удаление от центра антенны точек размещения которых задано минимальной неравномерностью диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости и выбранным рабочим диапазоном частот. В некоторых вариантах реализации разработанной конструкции для осуществления дуального преобразования электрического тока СВЧ в электромагнитное поле предназначена формируемая шестиконтурная щель между металлическим основанием и плоским токопроводящим экраном антенны. Для диапазонов частот стандартов связи GSM 900/1800/2100, DECT, Wi-Fi и WiMAX ее высота предпочтительно не превышает 25 мм. В некоторых вариантах реализации токопроводящий экран выполнен круглой формы, обеспечивающий минимальную неравномерность диаграммы направленности в горизонтальной плоскости. Кроме того, токопроводящий экран может быть выполнен произвольной симметричной формы, обеспечивающий заданную неравномерность диаграммы направленности в горизонтальной плоскости. Предпочтительно токопроводящий экран выполнен в форме правильного многогранника с числом сторон не менее шести.
Металлическое основание антенны предпочтительно выполнено из алюминиевого сплава марки Д16 толщиной не менее 4 мм. В качестве материала центрального проводника антенны, являющегося ее излучателем, используется латунный центральный проводник устанавливаемого высокочастотного разъема. Экран антенны выполняется из луженой оловом жести марки ЭЖК-022. Короткозамыкатели антенны выполняются из медных или латунных стержней диаметром 1-2 мм.
Антенна разработанной конструкции работает следующим образом.
Электромагнитное поле, проходящее от источника СВЧ излучения, одновременно воздействует на все шесть короткозамыкателей. В общей точке электрического объединения указанных короткозамыкателей, подключенной к центральному проводнику разъема, наведенные электрические высокочастотные колебания суммируются. Диаграмма направленности антенны в вертикальной плоскости формируется в виде косеконсной диаграммы направленности - узконаправленного луча с углом отклонения от плоскости основания антенны на угол от 15 до 35°.
Функционирование низкопрофильной антенны.
Антенна является дуальным преобразователем электрического тока сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона, протекающего по элементам антенны в электромагнитное поле (ЭМП), формируемом в щелевом пространстве между основанием антенны и токопроводящим экраном, размещенным над основанием антенны - при работе на передачу, и, наоборот, ЭМП, приходящего из пространства вокруг антенны, в ток СВЧ, протекающий по элементарному излучателю и проводящим элементам соединителя.
Функционирование антенны на передачу.
Сформированный передающим устройством электрический ток СВЧ вытекает из центральной жилы коаксиального кабеля, протекает по центральному проводнику соединителя, равномерно и симметрично растекается по токопроводящему экрану антенны, далее стекает по металлическим короткозамыкателям на основании антенны.
Пройдя по металлическому телу основания антенны, суммарный обратный ток втекает в металлический корпус соединителя и по внешней оплетки подключенного коаксиального кабеля возвращается в передающее устройство.
В процессе протекания тока по элементарному излучателю он преобразуется в ЭМП в соответствии с уравнениями Максвелла.
Так как элементарный излучатель соединен с токопроводящим экраном антенны, то на процесс преобразования тока СВЧ в ЭМП однозначно влияет (участвует) сформированная круговая щель между экраном и металлическим основанием антенны.
Высота размещения токопроводящего экрана и удаленность мест размещения 6-ти короткозамыкателей, с помощью которых размещается в антенне экран, рассчитывают пакетом программного обеспечения MicrowaveStudio.
Задаваемыми параметрами при расчете геометрических характеристик антенны являются:
- центральная частота рабочего диапазона частот;
- ширина рабочего диапазона частот;
- неравномерность диаграммы направленности в горизонтальной плоскости;
- форма и ширина диаграммы направленности в вертикальной плоскости;
- угол отклонения от плоскости металлического основания антенны максимума диаграммы направленности в вертикальной плоскости;
- коэффициент усиления антенны по отношению к изотропному излучателю.
В результате расчета получаются геометрические размеры:
- форма и размеры токопроводящего экрана антенны;
- количество и точки размещения, включая удаленность их от центра антенны, короткозамыкателей;
- высота размещения токопроводящего экрана над металлическим основанием антенны.
Функционирование антенны на прием.
Приходящее ЭМП из пространства за пределами антенны воздействует на сформированную токопроводящим экраном и металлическим основанием антенны, а также элементарным излучателем (приемником), наводит в последнем токи СВЧ.
Цепь протекания тока СВЧ аналогична протеканию тока при передаче, за исключением его направления. Втекающий приемный ток СВЧ протекает по центральной жиле соединителя и далее по центральной жиле коаксиального кабеля на вход радиоприемного устройства.
Расчет геометрических размеров конструкционных элементов антенны для работы в конкретном диапазоне частот аналогичен указанному расчету на передачу.
Для настройки волнового сопротивления антенны на номинал, равный 50 Ом, используются согласующие элементы в виде дополнительных штырей, размещаемых на ее металлическом основании.
Диаграмма направленности антенны в вертикальной плоскости формируется в виде косекансной диаграммы направленности узконаправленного луча с углом отклонения от плоскости основания антенны таким образом, что уровень сигнала при приеме или при передаче будет одинаковым для ближней и дальней зоны.
Для обеспечения защиты элементов конструкции антенны от внешнего воздействия пыли, влаги и атмосферных осадков, а также поднимаемыми в воздух, вследствие возникающих турбулентных завихрений при движении ЖД вагонов камней, угольной пыли она имеет радиопрозрачный купол на основе поликарбонатного пластика или АВС с высокими механическими характеристиками и низкими потерями для ЭМВ диапазона DECT.
Данная антенна может быть настроена на стандартные диапазоны GSM 900/1800/2100 и диапазоны стандартов WiFi (2,4 ГГц) и WiMAX 2,5-5,7 (ГГц) или иметь специализированные параметры в частотном диапазоне СВЧ.