Двухдиапазонная всенаправленная печатная антенна с комбинированным возбуждением

Полезная модель относится к антенной технике и может применяться в различных радиотехнических системах для всенаправленного приёма и излучения электромагнитных волн с горизонтальной поляризацией. Антенна может применяться в системах сотовой связи поколений 2-5G, в Wi-Fi, в бесконтактных радиометках, в системах телевизионного вещания.
Из уровня техники известна всенаправленная антенная решётка, описанная в патенте RU 2755403 C1, МПК H01Q 9/00. Она состоит из трёх, расположенных по кругу, полуволновых вибраторов, каждый из которых содержит два плеча в форме плоских дугообразных проводников, закреплённых друг над другом. Вибраторы запитываются равноамплитудно и синфазно с помощью делителя мощности в виде коаксиальной линии. Под вибраторами на расстоянии четверти длины волны находится рефлектор в форме диска диаметром половину длины волны.
Известна рамочная всенаправленная широкополосная антенна горизонтальной поляризации с цилиндрическим диэлектриком, принятая за прототип (статья T. Liu, H. Yang, Y. He, J. Lu, Cylindrical ring dielectric loaded horizontally polarized omnidirectional antenna for wideband radiation, International Journal of Electronics and Communications (2018), doi: https://doi.org/10.1016/j.aeue.2018.04.006). Устройство, содержащее круглую диэлектрическую подложку, на верхней и нижней сторонах которой расположено по четыре излучающих F-образных элемента, каждый из которых содержит линию питания в форме сектора окружности и два аркообразных плеча различного размера. При этом излучающие F-образные элементы на нижней и верхней сторонах платы находятся друг над другом, но их плечи направлены в разные стороны. Антенна возбуждается с помощью СВЧ-разъёма, внешний проводник которого подключается к круглой токопроводящей площадке, соединяющей излучающие элементы на нижней стороне платы, а центральный проводник подключается к площадке, соединяющей излучающие элементы на верхней стороне платы.
Недостатком описанных выше аналога и прототипа является наличие только одного рабочего диапазона частот. Это объясняется тем, что резонансные размеры излучающих элементов, которые входят в состав приведённых антенн, одинаковы или отличаются незначительно.
Техническая задача, решаемая полезной моделью, заключается в формировании двух широких диапазонов частот.
Техническая задача достигается тем, что двухдиапазонная всенаправленная печатная антенна с комбинированным возбуждением, содержит диэлектрическую плату, на обеих сторонах которой расположено по четыре полосковых F-образных излучателя, линии питания которых расположены друг над другом и подключены к высокочастотному разъему, излучатели развернуты друг относительно друга на 90°, согласно полезной модели, каждый излучатель содержит полосковую линию, равную 0,36 длины волны в форме сектора окружности величиной 5° и два полосковых аркообразных плеча, длина каждого из которых задана углами 39,3° и 40°, ширина плеч равна 0,05 и 0,02 длины волны, а расстояние между ними составляет 0,075 длины волны; антенна дополнительно содержит вторую диэлектрическую плату, размещённую над первой с зазором 0,025 длины волны, формируемым четырьмя диэлектрическими шайбами со стержнями; на второй плате размещены восемь полосковых аркообразных вибраторов, попарно расположенных друг за другом по длине секторов концентрических окружностей, при этом четыре из них расположены по длине секторов окружности с радиусом L4 и еще четыре, расположены по длине секторов окружности с радиусом L3, причем L4>L3; длина первых четырех вибраторов задана углом 43°, а вторых - 70°, соответственно их ширина равна 0,025 и 0,042 длины волны; высокочастотный разъём через внешний проводник подключен к круглой полосковой площадке диаметром 0,05 длины волны, расположенной на нижней стороне первой платы, а внутренний проводник подключен к круглой  полосковой площадке диаметром 0,025 длины волны, расположенной на верхней стороне первой платы.
Техническим результатом полезной модели является двухдиапазонная частотная характеристика антенны.
Обеспечение работы двухдиапазонной всенаправленной печатной антенны с комбинированным возбуждением в двух широких диапазонах частот объясняется тем, что печатные F-образные секции, расположенные на нижней диэлектрической плате, возбуждаются в первом диапазоне частот, а пассивные вибраторы, расположенные на второй диэлектрической плате, резонируют во втором диапазоне частот.
Предложение поясняется рисунками (фиг. 1, 2, 3), где на фиг.1 изображена конструкция двухдиапазонной всенаправленной печатной антенны с комбинированным возбуждением в изометрии, на фиг. 2 показан вид на верхнюю и нижнюю стороны платы 1 и на диэлектрическую плату 2, на фиг. 3 приведена частотная зависимость коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН).
2
1
4
3
4
3
4
3
Полезная модель содержит две прямоугольные диэлектрические платы 1 и 2 (фиг. 1). На обеих сторонах диэлектрической платы 1 расположено по четыре F-образных печатных излучателя 3, развернутых относительно друг друга на 90°, каждый из которых содержит  полосковую линию питания 4 длиной 0,36λ (λ-длина волны в воздухе) в форме сектора окружности величиной 5° и два полосковых аркообразных плеча 5, 6, длины которых задаются углами α- 39,3° и α- 40°, а их ширина составляет 0,05λ и 0,02λ. Расстояние между плечами задаётся величиной 0,075λ. Возбуждение осуществляется с помощью СВЧ-разъёма 7 (фиг.2), внешний проводник которого подключен к круглой полосковой площадке 8 диаметром 0,05λ, а внутренний проводник подключен к круглой полосковой площадке 9 диаметром 0,025λ. Диэлектрическая плата 2 содержит восемь полосковых аркообразных вибраторов 10, 11, расположенных попарно друг за другом по длине секторов двух концентрических окружностей, причем четыре из них расположены по длине сектора окружности с радиусом L и еще четыре расположены по длине сектора окружности с радиусом L, причем L>L (фиг. 1, 2); длина вибраторов, расположенных по окружности радиусом L, задаётся углом 43°, а длина вибраторов, расположенных по окружности  радиусом L, задаётся углом 70°. Диэлектрические платы 1, 2 расположены друг над другом с воздушным зазором величиной 0,025λ, регулировать который можно с помощью диэлектрических стержней 12 и шайб 13 (фиг. 1), которые вставляются в круглые отверстия 14.
Полезная модель работает следующим образом: через высокочастотный разъём 7 радиосигнал подаётся на кольцевую антенную решётку из восьми F-образных печатных излучателей 3, расположенных на обеих сторонах диэлектрической платы 1. При этом плечи F-образных излучателей 5, 6 образуют два контура с практически равномерным распределением электрического тока, которое формирует круговую диаграмму направленности в плоскости платы. Антенная решётка формирует электромагнитное поле в ближней зоне, которое создаёт поверхностные токи на пассивных парах полосковых аркообразных вибраторов 10 и 11, расположенных на диэлектрической плате 2. Таким образом, происходит возбуждение полосковых аркообразных вибраторов.
Введение диэлектрических стержней 12 и шайб 13 необходимо для регулирования величины воздушного зазора между диэлектрическими платами 1 и 2. Это позволяет изменять ширину второго рабочего диапазона частот двухдиапазонной всенаправленной печатной антенны с комбинированным возбуждением.
Частотная зависимость коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН), рассчитанная с помощью метода конечных элементов в программе численного моделирования, приведена на фиг. 3. Первый диапазон частот заявляемой антенны составляет от 1,61 ГГц до 2,3 ГГц (по уровню КСВН≤2), второй диапазон частот составляет от 4,07 ГГц до 4,79 ГГц (по уровню КСВН≤2).
1
1
2
1
2
2
1
2
3
4
1
2
3
4
Пример. Конструкцию заявляемой двухдиапазонной всенаправленной печатной антенны с комбинированным возбуждением, можно выполнить из двух фольгированных диэлектрических пластин 1, 2 (фиг.1) марки AD350. Диэлектрическая плата 1 содержит на каждой своей стороне по четыре F-образных печатных излучателя 3 (фиг. 2), каждый из которых состоит из полосковой линии питания 4 длиной 41 мм (L) и двух полосковых аркообразных плеч 5 и 6, длина которых задаётся углами 39,3° и 40° (αи α), а ширина составляет 6 мм и 2,2 мм (w и w), расстояние между плечами 8,5 мм (L). Возбуждение осуществляется с помощью SMA-разъёма 7 (фиг. 2), внешний проводник которого подключен к круглой полосковой площадке 8 диаметром 6 мм (d), а внутренний проводник подключен к круглой полосковой площадке 9 диаметром 3 мм (d). Диэлектрическая плата 2 содержит четыре пары полосковых аркообразных вибраторов 10,11, расположенных по окружностям с радиусами 29 мм и 43,5 мм (L и L). Размеры (длина и ширина) пассивных вибраторов 10, 11 увеличиваются к центру платы. Их длина задаётся углами 43° и 70° (βи β), а ширина составляет 3 мм и 4 мм (w и w). Воздушный зазор между диэлектрическими платами 1 и 2 составляет 3 мм (h) и может регулироваться с помощью четырех стержней 12 и шайб 13, изготовленных из радиопрозрачного ABS-пластика.
В заключении стоит отметить, что предлагаемая полезная модель благодаря уникальной структуре слоёв и их расположению работает в двух частотных диапазонах. Первый диапазон частот от 1,61 ГГц до 2,3 ГГц (по уровню КСВН≤2), второй диапазон частот от 4,07 ГГц до 4,79 ГГц (по уровню КСВН≤2). Данная антенна может применяться в системах сотовой связи поколений 2-5G, в Wi-Fi, в бесконтактных радиометках, а также в системах телевизионного вещания.