АНТЕННА Российский патент 2004 года по МПК H01Q1/38 

Изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано для создания двух канальных слабонаправленных антенн для систем сотовой связи с взаимно ортогональной линейной поляризацией (±45°) поля излучения в каналах, наклоненных относительно вертикальной оси Z прямоугольной системы координат (XYZ), на угол ±45°, а также в качестве излучателей для двухканальных секторных и многолучевых антенн базовых станций с такой же поляризационной характеристикой.

Известны плоскостные антенны, см. например, Б.А.Панченко, Е.И.Нефедов. - Микрополсковые антенны. - М.- "Радио и связь". - 1986 г. с.89-134. Антенны этого типа представляют собой печатные излучатели, выполненные на диэлектрической подложке, расположенной на металлическом экране. Они не обеспечивают требуемой широкополосности и необходимой ширины диаграммы направленности антенны. Например, их использование в адаптивной многолучевой антенне базовой станции сотовой системы связи фирмы Ericsson, см. Ericsson Review No.3, 1999, р.132-141, приводит к большой неравномерости лучей (5-6) дБ.

Прототипом изобретения является направленная (Panel) антенна, базовой станции сотовой связи стандарта 08М-900 (Eurocell A-Panels GSM 900 - Dual Polarization, +45°/-45(Polarization). - Каталог Антенны сотовой связи: “продукция Kathrein” (Kathrein Antennen Electronic p.172-175). В антенне в качестве излучателей используется два симметричных вибратора, расположенных над экраном специальной формы в плоскости ZY и образующих прямоугольный крест. Каждый вибратор развернут на 45 (к вертикальной оси Z прямоугольной системы координат и подключен к своему коаксиальному входу, образуя два независимых канала с развязкой до 30 дБ и взаимно ортогональными поляризациями с наклоном +45°-45° от вертикали.

К недостатку антенны следует отнести недостаточную ширину диаграммы направленности отдельных излучателей в горизонтальной плоскости (плоскость XY прямоугольной системы координат), величина которой при их размещении на плоском экране двумерной многолучевой антенной решетки составляет не более 70° по уровню 3 дБ. По этой причине применение в адаптивных многолучевых антеннах базовых станций с сектором обзора 90° этих излучателей приводит к большой неравномерности диаграмм направленности отдельных лучей антенны, уровень которых для крайних лучей падает на (6-7) дБ.

Для построения двухканальных многолучевых антенн базовых станций систем сотовой связи требуются двухканальные излучатели с взаимно ортогональной линейной поляризацией поля излучения с наклоном вектора поляризации в отдельных каналах относительно вертикальной оси Z на угол (±45°). Диаграмма направленности этих излучателей по уровню 3 дБ в горизонтальной плоскости (плоскость XY) при их размещении на плоском экране должна перекрывать сектор формирования лучей многолучевой антенны, ширина которого не менее 90°. Развязка между каналами в таких антеннах должна быть не менее 30 дБ, а полоса пропускания для различных систем сотовой связи составляет от 5 до 17% от средней частоты рабочего диапазона.

Решаемая техническая задача заключается в формировании диаграммы направленности двухканальной антенны с взаимно ортогональной поляризацией поля излучения (+45°-45°) в каналах перекрывающей в горизонтальной плоскости (плоскость XY) по уровню 3 дБ сектор шириной не менее 90°.

Решаемая техническая задача в антенне, состоящей из двух крестообразно расположенных симметричных вибраторов с коаксиальными входами, размещенных над металлическим экраном, достигается тем, что крестообразно расположенные симметричные вибраторы выполнены на одной стороне диэлектрической платы, установленной параллельно плоскому экрану на высоте от него не более половины заданной длины волны рабочего диапазона частот λ, в виде плоского крестообразного проводника, состоящего из четырех одинаковых, расположенных ортогонально друг к другу четвертьволновых плеч, расширяющихся от центра крестообразного проводника к его концам с углом расширения γ, не превышающем 30°, каждое из которых соединено в точке, расположенной на расстоянии d не более λ/8 от конца четвертьволнового плеча, металлическим проводником со своим коаксиальным переходом, установленным на металлическом экране под соответствующим четвертьволновым плечом и к каждой паре диаметрально противоположных коаксиальных переходов в противофазе подключен соответствующий коаксиальный вход, а с другой стороны диэлектрической платы соосно с крестообразным проводником выполнена металлическая кольцевая рамка с длиной окружности по средней линии, равной заданной длине волны рабочего диапазона частот λ.

Где λ - заданная длина волны рабочего диапазона частот.

На фиг.1 показан вид на антенну сбоку (сечение А-А).

На фиг.2 показан вид на антенну сверху (в плоскости ZY).

На фиг.3 приведена экспериментально измеренная диаграмма направленности антенны f_(θ) в плоскости XY по двум каналам с взаимно ортогональной поляризацией.

Антенна по фиг.1, 2 состоит из двух крестообразно расположенных вибраторов, выполненных в виде плоского крестообразного проводника 1 на одной стороне диэлектрической платы 2, установленной параллельно металлическому плоскому экрану 3 (в плоскости ZY прямоугольной системы координат) на высоте h от него

h≤λ/2,

где λ - заданная длина волны рабочего диапазона частот. Крестообразный проводник 1 состоит из четырех одинаковых, расположенных ортогонально друг к другу четвертьволновых плеч 4, расширяются от центра крестообразного проводника 1 к его концам с углом расширения γ не более 30° и развернутых на угол ±45° к оси Z. Каждое плечо 4 в точке, расположенной от его конца на расстоянии d≤λ/8, соединено металлическим проводником 5 со своим коаксиальным переходом 6, размещенным на металлическом экране 3 под соответствующим плечом 4. К каждой паре диаметрально противоположных коаксиальных переходов 6 через соответствующий делитель мощности на два 7 в противофазе подключен соответствующий коаксиальный вход 8. С другой стороны диэлектрической платы 2 соосно с крестообразным проводником 1 выполнена металлическая кольцевая рамка 9 с длиной окружности по средней линии, равной заданной длине волны рабочего диапазона частот λ. Крестообразный проводник 1, соосно расположенный с металлической кольцевой рамкой 9, представляет собой два ортогональных полуволновых вибратора, каждый из которых связан своими плечами 4 с кольцевой рамкой 9 в двух диаметрально противоположных точках. Толщина диэлектрической платы 2t менее 0,1 λ, где λ - заданная длина волны рабочего диапазона частот.

Работа антенны осуществляется следующим образом. Сигнал, подведенный к одному из двух коаксиальных входов 8, проходит через соответствующий делитель мощности на два 7 и подается в противофазе на соответствующие два диаметрально противоположные коаксиальные перехода 6. Затем по проводникам 5 этот сигнал поступает в противофазе на соответствующие два диаметрально противоположных четверть волновых плеча 4 к точкам подключения металлических проводников 5. Два других диаметрально противоположных четвертьволновых плеча 4 крестообразного проводника 1 подключены аналогичным образом ко второму коаксиальному входу 8. Такое возбуждение крестообразного проводника 1 со стороны одного коаксиального входа 8 эквивалентно возбуждению симметричного вибратора составленного из двух диаметрально противоположных четверть волновых плеч 4 и подключенных металлическими проводниками 5 к этому коаксиальному входу 8. Проводники 5, длиной h не более половины заданной длины волны рабочего диапазона частот (λ/2) с противофазными токами, подключенные к диаметрально противоположным четверть волновым плечам 4 в точках, отстоящих от концов этих плеч на расстояние d не более λ/8, образуют две взаимно перпендикулярные рамки, ортогональные экрану 3, с синфазным распределением тока в каждой из них. Эти две рамки со стороны двух коаксиальных входов 8 являются развязанными между собой. Таким образом, характеристики излучения крестообразного проводника 1 со стороны каждого коаксиального входа 8 соответствуют характеристикам излучения симметричного вибратора образованного соответствующими диаметрально противоположными плечами 4, расположенными над металлическим экраном 3 и дополненными металлическими проводниками 5 до синфазной рамки. Распределение тока вдоль такой рамки зависит от длин ее сторон и от поперечного сечения металлических проводников 5 и плеч 4. Длины металлических проводников 5 и расстояние между точками их подключения к диаметрально противоположным плечам 4 ограничены условием формирования синфазного распределения тока в синфазной рамке. Из этого условия следует, что суммарная электрическая длина синфазной рамки не должна превышать заданной длины волны.

Такая антенна при соблюдении симметрии возбуждения со стороны всех четверть волновых плеч 4 по двум независимым коаксиальным входам 8 будет развязанной по входам 8 и иметь идентичные характеристики с взаимно ортогональной поляризацией поля излучения. Как показывают эксперименты, диаграмма направленности крестообразного проводника 1, плечи которого ориентированы под углом ±45° к горизонтальной плоскости в зависимости от высоты его размещения над экраном 3 h, в горизонтальной плоскости (плоскость XY) по каждому коаксиальному входу 8 имеет форму лепестка, ориентированного по нормали к экрану и шириной по уровню 3 дБ не более 75°. Расширение плеч 4 за счет увеличения угла γ до 30° позволяет расширить диаграмму направленности антенны до 80° и одновременно увеличить ее широкополосность на 5-7%.

Кольцевая рамка 9 с длиной периметра по средней линии, равной заданной длине волны, размещенная над крестообразным проводником 1 с противоположной стороны платы 2, является пассивным излучателем, связанным с крестообразным проводником 1. Поле крестообразного проводника 1 возбуждает в кольцевой рамке 9 ток с распределением, соответствующим первой гармонике, узлы которого находятся над плечами 4, подключенными металлическими проводниками 5 к соответствующему коаксиальному входу 8. Фаза этого тока, за счет электромагнитной связи кольцевой рамки 9 с крестообразным проводником 4, сдвинута относительно фазы тока крестообразного проводника примерно на 90°.

Собственная диаграмма направленности кольцевой рамки 9, расположенной над экраном 3 с распределением тока, соответствующим первой гармонике, близка по форме и поляризационной характеристике к аналогичным характеристикам крестообразного проводника 1, подключенного к соответствующему коаксиальному входу 8. Две пары таких точек возбуждения кольцевой рамки 9 четвертьволновыми плечами 4, расположенными под 90° друг к другу образуют два независимых развязанных между собой канала по двум входам 8 с одинаковыми диаграммами и ортогональными поляризациями поля излучения. Как показали эксперименты, влияние пассивной кольцевой рамки 9 на излучение крестообразного проводника 1 в плоскости XY, составляющей с его плечами 4 угол 45°, приводит к уменьшению уровня диаграммы направленности по нормали к экрану 3 до 1 дБ и одновременному ее расширению по уровню 3 дБ до 95°. Эффект расширения диаграммы направленности антенны с увеличением расстояния t между кольцевой рамкой 9 и крестообразным проводником 1 более 0,1λ резко уменьшается вследствие ослабления электромагнитной связи между ними.

Расширение плеч 4 крестообразного проводника 1 по углу γ свыше 30° приводит к ослаблению влияния кольцевой рамки 9 на излучение антенны и снижает эффект расширения ее диаграммы направленности. Это объясняется изменением условий излучения кольцевой рамки 9 за счет возрастающего, с увеличением угла расширения γ, экранирующего действия крестообразного проводника 1 на кольцевую рамку 9.

Кольцевая рамка 9 длиной, равной длине волны, является резонансным излучателем и на рабочей частоте ее входное сопротивление эквивалентно сопротивлению резонансного колебательного контура. Поэтому входное сопротивление крестообразного проводника 1 с кольцевой рамкой 9 имеет характеристику связанной колебательной системы. Это обеспечивает увеличение широкополосности антенны.

Антенна, реализованная по предлагаемой схеме, имеет следующие параметры. Частота настройки антенны 900 мГц, полоса пропускания 12% от средней частоты настройки антенны, ширина диаграммы направленности антенны по уровню 3 дБ в горизонтальной плоскости XY, составляющей угол с плечами крестообразного проводника 45°, составляет 96° (см. фиг.3), развязка между каналами в рабочей полосе частот не менее 30 дБ. Крестообразный проводник и кольцевая рамка выполнены на плате из фольгированного материала типа ФАФ-4 толщиной 2,5 мм. Высота размещения платы над экраном 0,134 λ₀. Крестообразный проводник выполнен на нижней стороне платы с размером (160×160) мм, угол расширения плеча γ составляет 30°. Точки питания плеч расположены на расстоянии 6 мм от их широкого конца. Кольцевая рамка выполнена на верхней стороне платы. Диаметр кольца по средней линии составляет 103 мм, а ширина его проводника 6 мм. Антенна имеет два коаксиальных входа, каждый на свой канал, с волновым сопротивлением 50 Ом, характеризующийся линейной поляризацией, с наклоном соответственно ±45° относительно положения вертикальной поляризации, ориентированной по оси Z.

Представленные результаты позволяют утверждать, что предложенная антенна обеспечивает формирование диаграммы направленности в двух каналах с ортогональными поляризациями поля излучения, перекрывающий по уровню 3 дБ в горизонтальной плоскости (плоскость XY) сектор более 90°, и при этом отвечает требованиям, предъявляемым к параметрам излучателей многолучевых двухканальных антенных решеток базовых станций систем сотовой связи.

Изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано для создания двух канальных слабонаправленных антенн для систем сотовой связи со взаимно ортогональной линейной поляризацией (±45°) поля излучения в каналах, наклоненных относительно вертикальной оси Z прямоугольной системы координат (XYZ), на угол ±45°, а также в качестве излучателей для двухканальных секторных и многолучевых антенн базовых станций с такой же поляризационной характеристикой. Обеспечивает формирование диаграммы направленности двухканальной антенны с взаимно ортогональной поляризацией поля излучения (+45°-45°) в каналах и в горизонтальной плоскости (плоскость XY прямоугольной системы координат) перекрывает по уровню 3 дБ сектор формирования лучей многолучевой антенны шириной не менее 90°. Сущность изобретения: антенна состоит из двух крестообразно расположенных симметричных вибраторов, размещенных над металлическим экраном и выполненных на одной стороне диэлектрической платы, установленной параллельно плоскому экрану на высоте не более половины заданной длины волны рабочего диапазона частот от него, в виде плоского крестообразного проводника, состоящего из четырех одинаковых и расположенных ортогонально друг к другу четвертьволновых плеч, расширяющихся от центра крестообразного проводника к его концам с углом расширения γ, не превышающем 30°, каждое из которых соединено в точке, расположенной на расстоянии d<λ/8 от конца четвертьволнового плеча, металлическим проводником со своим коаксиальным переходом, установленным на металлическом экране под соответствующим четвертьволновым плечом, и к каждой паре диаметрально противоположных коаксиальных переходов через делитель на два в противофазе подключен соответствующий коаксиальный вход, а с другой стороны диэлектрической платы соосно с крестообразным проводником выполнена металлическая кольцевая рамка с длиной окружности по средней линии, равной заданной длине волны. Где λ - заданная длина волны. Техническим результатом является обеспечение формирования диаграммы направленности двухканальной антенны с взаимно ортогональной поляризацией поля излучения в каналах, перекрывающей в горизонтальной плоскости по уровню 3 дБ сектор шириной не менее 90⁰ . 3 ил.

Антенна, состоящая из двух крестообразно расположенных симметричных вибраторов с коаксиальными входами, размещенными над металлическим экраном, отличающаяся тем, что крестообразно расположенные симметричные вибраторы выполнены на одной стороне диэлектрической платы, установленной параллельно плоскому экрану на высоте от него не более половины заданной длины волны рабочего диапазона частот λ, в виде плоского крестообразного проводника, состоящего из четырех одинаковых, расположенных ортогонально друг к другу, четвертьволновых плеч, расширяющихся от центра крестообразного проводника к его концам с углом расширения γ, не превышающим 30°, каждое из которых соединено в точке, расположенной на расстоянии d не более λ/8 от конца четвертьволнового плеча, металлическим проводником со своим коаксиальным переходом, установленным на металлическом экране под соответствующим четвертьволновым плечом, и к каждой паре диаметрально противоположных коаксиальных переходов в противофазе подключен соответствующий коаксиальный вход, а с другой стороны диэлектрической платы соосно с крестообразным проводником выполнена металлическая кольцевая рамка с длиной окружности по средней линии, равной заданной длине волны λ рабочего диапазона частот.