ШИРОКОПОЛОСНАЯ НАПРАВЛЕННАЯ АНТЕННА С ДВУМЯ ОРТОГОНАЛЬНЫМИ ПОЛЯРИЗАЦИЯМИ

Полезная модель относится к антенной технике и может быть использована в качестве самостоятельной двухвходовой антенны, облучателя зеркальной антенны или элемента двухвходовой антенной решетки, имеющих две ортогональные поляризации. В частности, полезная модель может быть использована в качестве приемопередающей антенны в системах беспроводной передачи данных стандарта LTE.
Из существующего уровня техники известен патент US 5949376 А «Dual polarization patch antenna» (опубликован 07.09.1999). Антенна содержит две питающие линии, расположенные под углом 90 градусов на печатной плате и служащие для возбуждения щели, вырезанной на земельном слое платы. Излучение от щели возбуждает ортогональные токи на патче, расположенном над печатной платой.
Недостатком данной антенны является низкий КПД ввиду использования печатной платы.
Наиболее близким аналогом антенны является RU 118474 U1 (опубликовано 20.07.2012) - широкополосная полосковая антенна с двойной поляризацией. Широкополосная полосковая антенна с двойной поляризацией содержит три пластины прямоугольной или квадратной формы, образующие излучающую систему, два входа приемопередатчиков, пластины разделены между собой стойками, причем антенна имеет первый и второй входы, выполненные в виде проводников, первый приемопередатчик через согласующую полосковую линию соединен с входом второй полосковой линии, которая является возбуждающей колебания одной поляризации антенны; причем возбуждающая линия другим концом подключена к средней пластине и расположена между средней и нижней пластинами; второй приемопередатчик через полосковую или коаксиальную линию соединен напрямую с центром соседней стороны средней пластины для возбуждения колебаний в другой поляризации антенны.
Недостатком данной антенны является низкая направленность, обусловленная малым количеством излучающих элементов.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является увеличение направленности широкополосной антенны с двумя ортогональными поляризациями.
Для достижения указанного технического результата предлагается широкополосная направленная антенна с двумя ортогональными поляризациями, состоящая из пяти проводящих пластин, расположенных друг над другом, входов/выходов, по крайней мере двух контактных площадок, по крайней мере двух проводников, расположенных между двумя нижними пластинами, причем по крайней мере одна из пластин имеет прямоугольную форму, первый проводник соединяется с пластиной одним концом через перемычку, а другим концом - с одним входом/выходом антенны через контактную площадку, второй проводник соединяется с этой же пластиной обоими концами через перемычки и к второму проводнику, через контактную площадку, подключен другой вход/выход антенны.
Длина обоих проводников составляет около половины длины волны, при этом оба проводника расположены между двумя нижними пластинами и соединяются с верхней из них. Один проводник проходит под центром этой пластины и соединяется с ней одним концом через перемычку в середине одной из сторон пластины, а другим концом - с одним входом/выходом антенны через контактную площадку. Второй проводник расположен параллельно первому и соединяется с этой же пластиной обеими концами через перемычки в краях соседней стороны пластины, а к его середине, через контактную площадку, подключен другой вход/выход антенны.
Первая проводящая пластина является экраном, над которым располагается вторая проводящая пластина, представляющая активный элемент. Первая и вторая пластины образуют полосковый резонатор, в котором возможно возбудить два ортогональных поля в рабочем диапазоне антенны. Третья пластина располагается над второй, является пассивным элементом антенны и предназначена для расширения полосы рабочих частот антенны. Четвертая пластина располагается над третьей и предназначена для повышения направленности антенны. Все пять пластин образуют излучающую систему антенны. Проводники, перемычки, контактные площадки образуют систему возбуждения ортогональных полей в резонаторе, что позволяет антенне излучать/принимать электромагнитные волны с ортогональными поляризациями.
Форма как минимум трех пластин может быть прямоугольной, или эллиптической, или более сложной, имеющей как минимум две плоскости симметрии. Все элементы антенны могут быть выполнены из одинакового листового проводящего материала, с одинаковым способом обработки. Для повышения жесткости в конструкции антенны могут быть использованы стойки, которые одновременно будут удерживать пластины на требуемом расстоянии между друг другом. Для защиты антенны от внешних воздействий на экран может быть закреплен диэлектрический кожух со стороны излучающих элементов или вся антенна может быть помещена в диэлектрический бокс.
Сущность полезной модели поясняется чертежами (Фиг. 1 и Фиг. 2).
На Фиг. 1 представлен эскиз варианта антенны, содержащий пять пластин и шесть держателей.
На Фиг. 2 представлен эскиз варианта антенны, содержащий пять пластин, четыре держателя, на одном из проводников содержится элемент в виде кольца, где:
1 - первая пластина (экран),
2 - вторая пластина (активный элемент),
3 - третья пластина (пассивный элемент),
4 - дополнительные проводящие пластины (пассивные элементы),
5, 6 - контактные площадки,
7 - держатели/стойки,
8, 10 - проводники,
9, 13 - перемычки,
11, 12 - входы/выходы антенн.
Расстояние между металлическими пластинами (2) и (1) может достигать 10% от длины волны в свободном пространстве. Размеры нижней пластины (1) могут значительно превысить длину волны на рабочей частоте, но должны быть не меньше, чем габариты пластины (2). Размеры пластины (2) составляют около половины длины волны. Размеры пластины (3) примерно равны размерам пластины (2). Площадь пластин (4) меньше площади пластины (3). Расстояние между пластиной (2) и (3) может составлять 4÷10% от длины волны. Расстояние между пластинами (3), (4) может составлять 5÷20% от длины волны. Проводник (8) установлен над экраном (1) и проходит под центром пластины (2), один его конец подключается к контактной площадке (6), а второй конец через перемычку (9) подключен к середине стороны пластины (2). Длина проводника (8) примерно равна половине длины волны, его поперечные размеры много меньше длины волны. Контактная площадка (5) подключена к середине проводника (10), параллельного проводнику (8), который подключен к краям пластины (2) посредством перемычек (13) на стороне, соседней к стороне подключения перемычки (9). Полюса одного входа/выхода находятся на контактной площадке (6) и экране (1), полюса другого входа/выхода находятся на площадке (5) и экране (1). Стойки/держатели (7) по фиг. 1 находятся: первая пара - между пластинами (1) и (2), вторая пара - между пластинами (2) и (3), одна штука - между пластинами (3) и (4), одна штука - между пластинами (4). При этом держатели первой пары стоят симметрично по обе стороны от проводника (8), а стойки второй пары находятся над стойками первой пары, остальные стойки расположены над центром пластины (2). Стойки (7) по фиг. 2 находятся: первая стойка - между пластинами (1) и (2), вторая стойка - между пластинами (2) и (3), третья стойка - между пластинами (3) и (4), четвертая стойка - между пластинами (4). При этом первая стойка находится под центром пластины (2), а остальные - над этим же центром, а проводник (8) имеет в середине элемент в виде кольца.
Антенна работает следующим образом.
При подаче ВЧ-сигнала на контактную площадку (6) сигнал попадает на одну из сторон пластины (2) через полосковую линию, образованную проводником (8) и экраном (1) и через перемычку (9), противоположная же сторона пластины (2) питается через короткозамкнутый шлейф, образованный проводником (8), перемычкой (9) и пластиной (2), при этом длина проводника (8), равная половине длины волны на средней рабочей частоте, обеспечивает противофазное возбуждение сторон пластины (2) в широкой полосе частот, что приводит к возбуждению резонатора и пассивных элементов антенны. В результате антенна излучает электромагнитную волну, поляризованную примерно параллельно проводнику (8), преимущественно в направлении пассивных элементов.
При подаче ВЧ-сигнала на контактную площадку (5) осуществляется синфазное питание краев одной стороны пластины (2) через проводник (10) и перемычки (13), это приводит к возбуждению в резонаторе поля с вариацией вдоль сторон пластины (2), соседствующих с стороной подключения перемычек (13). Связанные с резонатором пластины (3), (4) возбуждаются, и антенна излучает электромагнитную волну, поляризованную примерно перпендикулярно проводнику (8), преимущественно в направлении пассивных элементов.
Как говорилось выше: при подаче ВЧ-сигнала на контактную площадку (6) обеспечивается противофазное возбуждение сторон пластины (2) в широкой полосе частот. Данные стороны примыкают к стороне, к которой через перемычки (13) подключен проводник (10), к середине этого проводника подключен вход/выход (12), через контактную площадку (5). Расстояние от точек подключения перемычек (13) до входа выхода (12) одинаковое, и, следовательно, ВЧ-сигналы, пришедшие от противофазно возбужденных сторон пластины (2), компенсируют друг друга на входе/выходе (12).
В результате антенна способна формировать излучение в одинаковом направлении, но с взаимно ортогональными поляризациями при возбуждении ее входов/выходов. Антенна может работать одновременно с двумя приемниками или двумя передатчиками и обеспечивать работу системы связи, использующую поляризационное разделение каналов распространения радиоволн. Также данная система может быть использована в антифединговых системах с поляризационным разносом антенн.
Описанные варианты конструкций позволили получить следующие основные характеристики при реализации антенны в диапазоне частот 1700-1900 МГц:
- коэффициент стоячей волны (КСВ) по входу антенны в вариантах согласовании с коаксиальной линией 50 Ом не более 1.5;
- коэффициент усиления в указанном диапазоне частот 9.5÷10.5 дБ по отношению к изотропному излучателю;
- развязка между входами антенны более 28 дБ;
- уровень бокового излучения не более -18 дБ;
- отношение вперед/назад не менее 18 дБ;
- размеры антенны не более 130*130*80 мм.
Указанный технический результат достигается за счет использования в конструкции антенны пяти проводящих пластин в совокупности со способом подключения антенны.