ДВУХДИАПАЗОННАЯ АНТЕННА Российский патент 1997 года по МПК H01Q1/28 

Изобретение относится к антенной технике, предназначено для использования в качестве бортовой антенны, обладающей ненаправленным равномерным излучением в горизонтальной (азимутальной) плоскости, и может быть использовано в системах радиосвязи между подвижными объектами, в частности для передачи и приема в системе радиотелефонной сотовой связи на двух разнесенных частотах.

Известна многодиапазонная микрополосковая антенна, содержащая металлический экран, расположенные друг над другом параллельно металлическому экрану нижний и верхний дисковые излучающие элементы, разделенные диэлектрическими подложками, первый коаксиальный кабель, центральный проводник которого подключен к нижнему дисковому излучающему элементу, а внешний проводник к металлическому экрану, второй коаксиальный кабель, центральный проводник которого подключен к верхнему дисковому излучающему элементу, а внешний проводник к металлическому экрану, и короткозамыкающий элемент, установленный в центре нижнего и верхнего дисковых излучающих элементов и соединяющий их с металлическим экраном [1]
Однако известная многодиапазонная антенна обладает недостатками, которые заключаются
в низкой развязке между антеннами щелевыми резонаторами при работе на прием/передачу, так как кабели не экранированы друг от друга;
в относительно трудном согласовании антенн с коаксиальными кабелями, так как отсутствует независимый подбор точек запитки, которые определены уже на этапе изготовления дисковых излучающих элементов;
в ограниченных эксплуатационных возможностях, что выражается тем, что данная антенна обладает ярко выраженными направленными свойствами (диаграмма направленности ориентирована в направлении нормали к дискам), что затрудняет организацию устойчивой связи между абонентами, изменяющими взаимную ориентацию в широких пределах;
в низкой эксплуатационной надежности антенны, что объясняется неудовлетворительной механической жесткостью и отсутствием элементов жесткости, предохраняющих дисковые излучающие элементы от возможных деформаций.

Известна многодиапазонная микрополосковая антенна, содержащая металлический экран, расположенные друг над другом параллельно металлическому экрану нижний и верхний дисковые излучающие элементы, разделенные диэлектриком, первый коаксиальный кабель, центральный проводник которого подключен к нижнему дисковому излучающему элементу, а внешний проводник к металлическому экрану, второй коаксиальный кабель и короткозамыкающий элемент, установленный в центре нижнего и верхнего дисковых излучающих элементов и соединяющий их с металлическим экраном [2]
Недостатками данной антенны являются все вышеперечисленные недостатки, присущие предыдущему аналогу, кроме некоторого улучшения взаимной развязки, но не являющейся оптимальной из-за трудности согласования, а также
сложность конструкции одного из запитывающих элементов антенны;
значительное ухудшение геометрии антенны при одновременном увеличении ее габаритов (высоты) из-за ограниченного радиуса изгиба полой металлической трубки и кабеля внутри одного из запитывающих элементов антенны.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является двухдиапазонная антенна, содержащая металлический экран, расположенные друг над другом параллельно металлическому экрану нижний и верхний дисковые излучающие элементы из электропроводного материала, разделенные диэлектриком, коаксиальную линию передачи, центральный проводник которой подсоединен к центру верхнего дискового излучающего элемента, а внешний к металлическому экрану, и короткозамыкающие штыри, сформированные в группы и расположенные между верхним дисковым излучающим элементом и металлическим экраном [3]
Недостатками данной антенны являются
сложная схема согласования антенны и настройки ее на рабочие частоты из-за неопределенности взаимосвязи размеров короткозамыкающих штырей и их расположения от параметров антенны;
неравномерность диаграммы направленности в азимутальной плоскости из-за экранировки излучающего раскрыва антенны группами короткозамыкающих штырей, что, в свою очередь, ведет к снижению коэффициента усиления.

Технический результат изобретения заключается в улучшении эксплуатационных характеристик антенны: симметрии диаграммы направленности антенны при одновременном увеличении коэффициента усиления, а также в упрощении схемы согласования и ее настройки.

Технический результат достигается тем, что между нижним дисковым излучающим элементом и металлическим экраном по их периметру равномерно установлена первая группа короткозамыкающих штырей, а между верхним и нижним излучающими элементами вторая, причем короткозамыкающие штыри первой группы сдвинуты вокруг центральной оси относительно короткозамыкающих штырей второй группы, а расстояния между любыми двумя соседними штырями равны между собой, при этом расстояние между любыми двумя соседними короткозамыкающими штырями первой группы должно быть не менее λ₁/4, где λ₁ длина волны в свободном пространстве для нижнего излучающего элемента, а для второй группы не менее λ₂/4, где λ₂ длина волны в свободном пространстве для верхнего излучающего элемента, причем высота короткозамыкающих штырей для первой группы h₁= (0,014÷0,02)λ₁, а диаметр d₁= (4,2•10^-3÷5,2•10^-3)λ₁ высота короткозамыкающих штырей для второй группы h₂= (0,014÷0,02)λ₂, а диаметр d₂= (4,2•10^-3÷5,2•10^-3)λ₂ при равном числе короткозамыкающих штырей в обеих группах.

Кроме того, технический результат достигается тем, что металлический экран снабжен дополнительным креплением, обеспечивающим электрический контакт с установочной поверхностью объекта из электропроводного материала, на который устанавливается антенна.

Кроме того, технический результат достигается тем, что антенна дополнительно снабжена защитным радиопрозрачным обтекателем.

На фиг.1 изображена конструкция двухдиапазонной антенны, вид сбоку, разрез; на фиг.2 конструкция двухдиапазонной антенны, вид сверху; на фиг.3 - эквивалентная схема двухдиапазонной антенны; на фиг.4 то же при условии согласования; на фиг.5 экспериментальная зависимость КСВН от параметров периферийных электропроводных штырей; на фиг.6 зависимость КСВН от частоты.

Двухдиапазонная антенна содержит металлический экран 1, расположенные друг над другом параллельно металлическому экрану нижний 2 и верхний 3 дисковые излучающие элементы из электропроводного материала, разделенные диэлектриком 4, коаксиальную линию передачи 5, имеющую центральный проводник 6 и внешний проводник 7, разделенные диэлектрическим материалом 8, центральный электропроводный штырь 9 и первую 10 и вторую 11 группы короткозамыкающих штырей, расположенных равномерно между нижним дисковым излучающим элементом и металлическим экраном, а также между верхним и нижним дисковыми излучающими элементами по их периметрам соответственно. При этом внешний проводник коаксиальной линии передачи подсоединен к металлическому экрану, а центральный к верхнему дисковому излучающему элементу, например, посредством электропроводного штыря. Кроме того, короткозамыкающие штыри первой группы сдвинуты вокруг центральной оси относительно короткозамыкающих штырей второй группы, а расстояния между любыми двумя соседними штырями равны между собой. При этом расстояние между любыми двумя соседними короткозамыкающими штырями первой группы должно быть не менее λ₁/4, где λ₁ длина волны в свободном пространстве для нижнего дискового излучающего элемента, а для второй группы
не менее λ₂/4, где λ₂ длина волны в свободном пространстве для верхнего дискового излучающего элемента, причем высота короткозамыкающих штырей для первой группы h₁= (0,014÷0,02)λ₁, а диаметр d₁= (4,2•10^-3÷5,2•10^-3)λ₁, высота короткозамыкающих штырей для второй группы h₂= (0,014÷0,02)λ₂, а диаметр d₂= (4,2•10^-3÷5,2•10^-3)λ₂, при равном числе короткозамыкающих штырей в обеих группах.

Кроме того, металлический экран может быть снабжен дополнительным креплением 12, обеспечивающим электрический контакт с установочной поверхностью 13 объекта из электропроводного материала, на который устанавливается антенна.

Кроме того, антенна дополнительно может содержать защитный радиопрозрачный обтекатель 14 (фиг.1, 2).

Предлагаемая антенна работает следующим образом.

С точки зрения эквивалентной электрической схемы двухдиапазонная антенна представляет собой две параллельно включенные дисковые антенны горизонтального излучения, являющиеся радиальными волноводами и колебательными контурами, включенными параллельно, с общим генератором. При этом первая дисковая антенна образована нижним дисковым излучающим элементом и металлическим экраном, а вторая нижним и верхним дисковыми излучающими элементами соответственно.

Эквивалентная электрическая схема двухдиапазонной антенны приведена на фиг. 3, где Z_o волновое сопротивление коаксиальной линии передачи; r₁= λ₁/4 длина первого радиального волновода; r₂= λ₂/4 длина второго радиального волновода; R_1изл активное сопротивление излучающего раскрыва первого радиального волновода; R_2изл активное сопротивление излучающего раскрыва второго радиального волновода; C₁ и C₂ краевые емкости первой и второй дисковых антенн; L₁ и L₂ индуктивности настроечных элементов короткозамыкающих штырей соответственно для первой и второй дисковых антенн; Z_вх1кон и Z_вх2кон комплексное входное сопротивление первого и второго контуров; соответствующих первому и второму радиальным волноводам.

Излучающие раскрывы первой и второй дисковых антенн при малых величинах h₁≪ λ₁ и h₂≪ λ₂ (что требуется для создания маловыступающей антенны) имеют ярковыраженные импедансы емкостного характера, при этом эквивалентные комплексные сопротивления излучающих апертур состоят из параллельно включенных активной составляющей R_изл1 и краевой емкости C₁, а также R_изл2 и C₂. При этом величины R_изл1 и C₁ являются f(h₁), а R_изл2 и C₂ являются f(h₂). Чтобы комплексные сопротивления излучающих раскрывов антенны имели характер активных сопротивлений, необходимо включить в ее излучающие раскрывы индуктивные элементы. Роль индуктивных элементов для первой дисковой антенны выполняют короткозамыкающие штыри, сформированные в первую группу, а для второй - короткозамыкающие штыри, сформированные во вторую, при этом обе группы штырей обеспечивают одновременно жесткость и механическую прочность конструкции всей антенны.

Структура электромагнитного поля в круговом излучающем раскрыве типа "кольцо" имеет вид, обеспечивающий нулевое излучение по нормали к дисковому излучающему элементу и максимум излучения в плоскости экрана. Диаметр нижнего дискового излучающего элемента выбирается равным D₁= λ₁/2, а диаметр верхнего дискового излучающего элемента D₂= λ₂/2, что обеспечивает максимальный коэффициент усиления. Диаграмма направленности имеет форму диаграммы направленности несимметричного λ/4 вибратора [4] Антенна с такими размерами дисковых излучающих элементов, как указывалось выше, является параллельно включенными радиальными волноводами длиной λ₁/4 и λ₂/4, что обеспечивает трансформацию активного сопротивления излучения в активное сопротивление точки запитки каждого радиального волновода коаксиальной линией (коаксиальным разъемом, кабелем), что при определенных условиях обеспечивает оптимальное согласование антенны.

Так как в емкостных и индуктивных элементах активные потери практически равны нулю, ρ_экв1 первого контура → ∞ и ρ_экв2 второго контура → ∞ то эквивалентная схема может быть представлена в виде, который изображен на фиг.4, где Z_o волновое сопротивление коаксиальной линии передачи; r₁= λ₁/4 длина первого радиального волновода; r₂= λ₂/4 длина второго радиального волновода; R_1изл активное сопротивление излучающего раскрыва первого радиального волновода; R_2изл активное сопротивление излучающего раскрыва второго радиального волновода; Z_вх1кон. и Z_вх2кон. комплексное входное сопротивление первого и второго контуров, соответствующих первому и второму радиальным волноводам.

Так как известно, что Z_{рад.вол.} волновое сопротивление радиального волновода 377 Ом, то условие согласования наступает при соответствующем выборе размеров короткозамыкающих штырей: высоты h₁ и диаметра d₁ для первой и высоты h₂ и диаметра d₂ для второй группы короткозамыкающих штырей, обеспечивающих выполнение следующих равенств R_изл1= Z2рад.вол.

/Z_o и R_изл2= Z2рад.вол./Z_o. Такое условие согласования обеспечивают следующие соотношения для размеров короткозамыкающих штырей:
для первой дисковой антенны и соответственно первой группы короткозамыкающих штырей

где λ₁ -длина волны в свободном пространстве;
для второй дисковой антенны и соответственно второй группы короткозамыкающих штырей:

где λ_2/ длина волны в свободном пространстве, что подтверждается экспериментальным графиком зависимости КСВН на резонансной частоте от нормированной высоты штырей (h₁/λ₁) и (h₂/λ₂), представленным на фиг.5 Для выполнения согласования антенны на заданной частоте в указанном интервале изменения высоты штырей их диаметр изменяется в заданном интервале, причем максимальному значению высоты соответствует максимальное значение диаметра штырей и наоборот.

Из-за того, что сотовая радиотелефонная линия связи работает в достаточно узком диапазоне частот, отличия линейных размеров диаметров верхнего и нижнего дисковых излучающих элементов незначительны и ими можно пренебречь. Соответствующим выбором размеров короткозамыкающих штырей d₁, h₁, d₂, h₂ достигается оптимальное согласование такой антенны на двух разнесенных частотах (например на частотах передачи f_пер и приема f_пр сотовой радиотелефонной сети.

Принципиальным является выбор числа конструктивных элементов (короткозамыкающих штырей) индуктивностей, компенсирующих суммарную емкость раскрыва. Для обеспечения "прозрачности" излучающего раскрыва необходимо, чтобы линейное расстояние между любыми двумя соседними штырями, размещенными между нижним дисковым излучающим элементом и металлическим экраном удовлетворяло соотношению S₁≥ λ₁/4, а для штырей, расположенных между верхним и нижним дисковыми излучающими элементами, S₂≥ λ₂/4 Чтобы выполнить эти неравенства можно равномерно разместить по периметрам первой и второй дисковой антенны по 5 или 6 элементов. Такое размещение короткозамыкающих штырей обеспечивает конструктивную прочность антенны с одновременным сохранением симметрии диаграммы направленности в горизонтальной плоскости. Необходимо заметить, что количество штырей как у верхней антенны, так и у нижней должно быть одинаково, чтобы при повороте их относительно друг друга вокруг центральной оси антенны можно было получить равные расстояния между любыми двумя соседними штырями, что, в свою очередь, при оптимальном согласовании каждой отдельной антенны обеспечивает оптимальную развязку.

Использование вместо диэлектрика воздушного заполнения радиальной линии обеспечивает минимум потерь в такой двухчастотной маловыступающей антенне.

При частоте генератора, совпадающей с резонансной частотой первого контура, его входное сопротивление равно 50 Ом, а входное сопротивление второго контура представлено импедансом с большим модулем , в этом случае вся энергия генератора поступает в контур номер 1. При совпадении частоты генератора с резонансной частотой второго контура картина меняется наоборот.

Металлический экран может быть снабжен дополнительным креплением, обеспечивающим электрический контакт с установочной поверхностью объекта из электропроводного материала, что позволяет улучшить эксплуатационные характеристики антенны: уменьшить габариты непосредственно антенны, одновременно упростить задачу крепления антенны на объект.

Для защиты от воздействия метеоосадков антенна может быть закрыта декоративным диэлектрическим обтекателем.

Примером исполнения может служить двухдиапазонная антенна, изготовленная для диапазона частот 840 870 МГц, имеющая следующие размеры: диаметр дисковых излучающих элементов D 155 мм; высота нижних короткозамыкающих штырей h₁= 6 мм, а диаметр штырей d₁= 1,5 мм; высота верхних короткозамыкающих штырей h₂=5 мм и диаметр d₂=1 мм; количество штырей по 5 шт. для каждого дискового излучающего элемента; диаметр центрального электропроводного штыря 3,5 мм и величина отверстия в нижнем излучающем элементе 5 мм зависят от диапазона частот, на которых работает антенна, и подбираются экспериментально для каждого отдельного случая. Простая конструкция предлагаемой антенны может быть смонтирована из простых в изготовлении деталей и узлов
экран 1 и диски 2, 3 могут быть изготовлены, например, штамповкой;
короткозамыкающие штыри 10, 11 и центральный электропроводный штырь 9 могут быть изготовлены на токарном автомате;
в качестве коаксиальной линии 5 могут быть использованы стандартные ВЧ разъемы и кабели;
для присоединения экрана 1 к установочной поверхности 13 могут быть использованы стандартные крепежные элементы 12;
диэлектрический обтекатель 14 может быть изготовлен посредством литья из пластмассы и т.д.

Элементы антенны 1, 2, 3, 5, 9, 10, 11 в соответствии с фиг.1 и 2 могут быть соединены между собой посредством резьбового соединения, пайкой или сваркой.

Простая конструкция антенны и вышеперечисленные способы изготовления обеспечивают как повторяемость ее геометрических размеров, так и ее электрических параметров.

Испытания антенны показали надежность данной конструкции и соответствие следующим электрическим требованиям: диаграмма направленности равномерна в азимутальной плоскости; форма диаграммы направленности подобна диаграмме направленности несимметричного четвертьволнового вибратора для каждого излучающего элемента; КСВН в рабочей полосе частот ≅ 2, на фиг.6 представлена зависимость КСВН от частоты, полученная в результате испытания антенны. С учетом широкого развития сотовых телефонных сетей, в том числе с учетом резкого увеличения числа автомобильных абонентских аппаратов, возможна установка таких антенн, закрытых малогабаритным декоративным обтекателем, на этапе изготовления автомобиля.

Источники информации
1. Многочастотная микрополосковая антенна, Conroy Peter J. Multifrequency microstrip antenna, Патент США N 4089003, кл. 343/700 MS, опубл. 9.05.78.

Широков И.Б. Многодиапазонная микрополосковая антенна, авторское свидетельство СССР N 1334228, кл. H 01 Q 1/38, опубл. 30.08.87.

3. Howard S. Jons, Daniel H. Scaubert. Multifrequency series-fed edge slot antenna, Пат. США N 4305078, кл.343/708, H 01 Q 1/28, 1981.

4. Кочержевский Г. Н. Антенно-фидерные устройства. М. Связь, 1972, с. 123.1

Изобретение относится к антенной технике. Изобретение направлено на улучшение эксплуатационных характеристик антенны: симметрии диаграммы направленности при одновременном увеличении коэффициента усиления, а также для упрощения схемы согласования и настройки. Двухдиапазонная антенна содержит металлический экран (МЭ)1, расположенные друг над другом параллельно МЭ 1 и нижний 2 и верхний 3 дисковые излучающие элементы (ДИЭ), разделенные диэлектриком 4, коаксиальную линию передачи (КЛП) 5, первую 10 и вторую 11 группы короткозамыкающих штырей (КШ), расположенных равномерно между нижним ДИЭ 2 и МЭ 1, а также между верхним 3 и нижним 2 ДИЭ по их периметрам соответственно. При этом внешний проводник 7 КЛП 5 подсоединен к МЭ 1, а центральный 6 - к верхнему 3 ДИЭ. КШ первой 10 группы сдвинуты вокруг центральной оси относительно КШ второй 11 группы, а расстояния между любыми двумя соседними КШ равны между собой. Расстояние между любыми двумя соседними КШ первой 10 группы должно быть не менее λ₁/4, где λ₁ - длина волны в свободном пространстве для нижнего 2 ДИЭ, а для второй 11 группы - не менее λ₂/4, где λ₂ - длина волны в свободном пространстве для верхнего 3 ДИЭ, причем высота КШ для первой группы h₁=(0,014÷0,02)λ₁, а диаметр d₁= (4,2•10^-3÷5,2•10^-3)λ₁, высота КШ для второй группы h₂= (0,014÷0,02)λ₂, а диаметр d₂= (4,2•10^-3÷5,2•10^-3)λ₂, при равном числе КШ в обеих группах. МЭ 1 может быть снабжен креплением 12, обеспечивающим электрический контакт с установочной поверхностью 13. Антенна может содержать защитный радиопрозрачный обтекатель 13. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Двухдиапазонная антенна, содержащая металлический экран, расположенные друг над другом параллельно металлическому экрану нижний и верхний дисковые излучающие элементы из электропроводного материала, разделенные диэлектриком, коаксиальную линию передачи, центральный проводник которой подсоединен к центру верхнего дискового излучающего элемента, а внешний к металлическому экрану, и короткозамыкающие штыри, сформированные в группы, отличающаяся тем, что между нижним дисковым излучающим элементом и металлическим экраном по их периметру равномерно установлена первая группа короткозамыкающих штырей, а между верхним и нижним излучающими элементами вторая, причем короткозамыкающие штыри первой группы сдвинуты вокруг центральной оси относительно короткозамыкающих штырей второй группы, а расстояние между любыми двумя соседними штырями равны между собой, при этом расстояние между любыми двумя соседними короткозамыкающими штырями первой группы должно буть не менее λ₁/4, где λ₁- длина волны в свободном пространстве для нижнего излучающего элемента, а для второй группы не менее λ₂/4, где λ₂- длина волны в свободном пространстве для верхнего излучающего элемента, причем высота короткозамыкающих штырей для первой группы h₁= (0,014-0,02)λ₁, а диаметр d₁= (4,2•10^-3÷5,2•10^-3)λ₁, высота короткозамыкающих штырей для второй группы h₂= (0,014-0,02)λ₂, а диаметр d₂= (4,2•10^-3+45,2•10^-3)λ₂ при равном числе короткозамыкающих штырей в обеих группах. 2. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что металлический экран снабжен дополнительным креплением, обеспечивающим электрический контакт с установочной поверхностью объекта из электропроводного материала, на который устанавливается антенна. 3. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена защитным радиопрозрачным обтекателем.