МНОГОДИАПАЗОННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА Российский патент 2004 года по МПК H01Q21/30 

Данное изобретение относится к области антенн и более точно касается антенных решеток, которые могут работать одновременно в разных частотных диапазонах за счет физического расположения образующих их элементов и за счет многодиапазонных характеристик некоторых расположенных в решетке элементов.

Конфигурация решетки описывается как наложение или чередование обычных монодиапазонных решеток, работающих в различных интересующих диапазонах. В тех местах, где сходятся вместе элементы различных монодиапазонных решеток, применена многодиапазонная антенна, перекрывающая различные диапазоны рабочих частот.

Использование многодиапазонных чередующихся антенных решеток (далее многодиапазонные чередующиеся решетки - MIA) обеспечивает значительное преимущество по сравнению с классическим решением с использованием одной решетки для каждого частотного диапазона:

уменьшается стоимость всей излучающей системы и ее установки (т.к. одна решетка заменяет несколько решеток), уменьшается ее размер, а также уменьшается отрицательное визуальное воздействие на окружающую среду при их использовании в базовых и ретрансляционных станциях в системах связи.

Настоящее изобретение можно применять в области телекоммуникаций, в частности в радиокоммуникационных системах.

Антенны начали разрабатывать в конце девятнадцатого столетия на основе основополагающих законов электромагнетизма, сформулированных Джеймсом Клерком Максвеллом в 1864 году. Изобретение первой антенны принадлежит Генриху Герцу, который в 1886 году продемонстрировал передачу по воздуху электромагнитных волн. В середине 1940-х годов были показаны основные ограничения относительно уменьшения размеров антенн с учетом длины волны, а в начале 1960-х годов появились первые не зависящие от частоты антенны (Е.С.Jordan, G.A.Deschamps, J.D.Dyson, P.E.Mayes “Development in Broadband Antennas”, IEEE Spectrum, том 1, с.58-71, апрель 1964; V.H.Rumsey, “Antennas and Broad-Band Derivatives Thereof”, New York Academic, 1966; R.L.Carrel “Analysis and design of the log-periodic dipole array”, Tech. Rep. 52, Univ. of Illinois Antenna Lab., Contract AF33 (616)-6079, октябрь 1961; P.E.Mayes, “Frequency Independent Antennas and Broad-Band Derivatives Thereof”, Proc. IEEE, том 80, №1, январь 1992). В это время были предложены винтовые, спиральные, логопериодические решетки, конусы и структуры, задаваемые исключительно угловыми элементами для применения в качестве широкополосных антенн.

Теория антенных решеток среди прочих классических работ по теории антенн основывается на трудах Шелкунова (S.A.Schellkunhoff “A Mathematical Theory of Linear Arrays”, Bell System Technical Journal, 22, 80). Указанная теория дает основные правила конструирования решетки для обеспечения соответствующих свойств ее излучения (в основном, ее диаграммы направленности), хотя ее применение ограничивается в основном случаем монодиапазонных решеток. Причина этого ограничения лежит в частотных характеристиках решетки, которые в сильной степени зависят от соотношения величин расстояния между элементами (антеннами) решетки и рабочей длиной волны. Указанное расстояние между элементами обычно является постоянным и предпочтительно выбирается меньше длины волны для предотвращения возникновения дифракционных лепестков. Это приводит к тому, что после фиксирования расстояния между элементами фиксируется также рабочая частота (и соответствующая ей длина волны), что существенно затрудняет работу той же решетки одновременно на другой, более высокой частоте, при условии, что в этом случае величина длины волны меньше расстояния между элементами.

Известные из уровня техники логопериодические антенны считаются первым примером антенных решеток, способных перекрывать широкий диапазон частот (V.H.Rumsey, “Frequency Independent Antennas”, New York Academic, 1966; R.L.Carrel “Analysis and design of the log-periodic dipole array”, Tech.Rep.52, Univ. of Illinois Antenna Lab., Contract AF33 (616)-б079, октябрь 1961; P.E.Mayes, “Frequency Independent Antennas and Broad-Band Derivatives Thereof”, Proc. IEEE, том 80, №1, январь 1992). Устройство указанных решеток основано на распределении образующих их элементов таким образом, что расстояние между смежными элементами и их длина изменяются в соответствии с геометрической прогрессией. Хотя указанные антенны способны сохранять постоянной диаграмму направленности и полное сопротивление в широком диапазоне частот, их применение на практике ограничено некоторыми конкретными случаями из-за ограничений в их коэффициенте усиления и размерах. Так, например, указанные антенны не используют в базовых станциях сотовой телефонной связи, поскольку они не имеют достаточного коэффициента усиления (их коэффициент усиления обычно составляет около 10 дБ, в то время как обычно требуется коэффициент усиления около 17 дБ для данного применения), кроме того, они обычно имеют линейную поляризацию, в то время как в указанных условиях требуются антенны с различной поляризацией, и их диаграмма направленности в горизонтальной плоскости не имеет необходимой ширины, а их механическая конструкция является слишком громоздкой.

Технология отдельных многодиапазонных антенн значительно более развита. Под многодиапазонной антенной понимается антенна, образованная рядом элементов, электромагнитно соединенных друг с другом, которые взаимодействуют друг с другом для обеспечения подобных радиоэлектрических характеристик антенны, т.е. диаграммы направленности и полного сопротивления, в нескольких частотных диапазонах (отсюда и название многодиапазонная антенна). Из уровня техники известны многочисленные примеры многодиапазонных антенн. В 1995 году стали известны антенны фрактального или мультифрактального типа (понятия фрактальный и мультифрактальный введены В.В.Mandelbrot в его книге "The Fractal Geometry of Nature", W.H.Freeman and Co., 1983), а также антенны, которые за счет их геометрии имеют многочастотные характеристики и в определенных случаях также уменьшенный размер (С.Puente, R.Pous, J.Romeu, X.Garcia “Antennas Fractales and Multifractales” (патент Испании ES-A-9501019). Затем стали известны мультитреугольные антенны (патент Испании ES-A-9800954), которые могут работать одновременно в диапазонах GSM 900 и GSM 1800, а затем стали известны многоуровневые антенны (PCT/ES99/00296), которые представляют собой наглядный пример возможности использования методов формирования геометрии антенны для получения многодиапазонных характеристик.

Данное изобретение раскрывает метод комбинирования многодиапазонных антенных решеток для получения решетки, которая работает одновременно в нескольких частотных диапазонах.

Многодиапазонная чередующаяся решетка (MIA) состоит из нескольких антенных решеток, ее особенность заключается в возможности одновременной работы в различных частотных диапазонах. Это обеспечивается посредством использования многодиапазонных антенн в стратегических местах решетки. Необходимое расположение составляющих многодиапазонную чередующуюся антенну элементов получают путем наложения друг на друга обычных монодиапозонных решеток. При этом используют столько монодиапазонных решеток, сколько частотных диапазонов желают включить в многодиапазонную чередующуюся решетку. В тех местах, в которых один или несколько относящихся к обычным монодиапазонным решеткам элементов совпадают, необходимо использовать сингулярную многодиапазонную антенну (элемент), которая перекрывает одновременно различные диапазоны. В остальных не совпадающих местах можно использовать ту же самую многодиапазонную антенну или же обычную монодиапазонную антенну, которая работает на подходящей частоте. Возбуждение на одной или различных частотах каждого элемента решетки поэтому зависит от положения элемента в решетке и им управляют с помощью сети распределения сигнала.

Изложенные выше признаки настоящего изобретения будут понятны из приведенного ниже описания конкретного иллюстрирующего неограничивающего примера предпочтительного варианта выполнения изобретения, которое ведется со ссылками на фигуры чертежей, на которых:

фиг.1 изображает положение элементов двух известных монодиапазонных решеток, работающих соответственно на частотах f и f/2, и расположение элементов в многодиапазонной чередующейся решетке, имеющей двойную частотную характеристику (на частотах f и f/2), работающей так же, как классические решетки, но с меньшим общим количеством элементов;

фиг.2 - другой частный пример выполнения многодиапазонной чередующейся решетки, на три частоты и с тремя соответствующими образующими ее монодиапазонными решетками, в данном примере показанная на фиг.1 решетка расширена на 3 частоты f, f/2 и f/4;

фиг.3 - другой частный пример выполнения многодиапазонной чередующейся решетки, в которой разные рабочие частоты не отделены друг от друга одинаковым масштабным коэффициентом, т.е. показанная на фиг.1 решетка расширена на 3 частоты f, f/2 и f/3;

фиг.4 - другой частный пример выполнения многодиапазонной чередующейся решетки, в которой разные рабочие частоты не отделены друг от друга одинаковым масштабным коэффициентом, т.е. показанная на фиг.1 решетка расширена на 3 частоты f, f/3 и f/4;

фиг.5 изображает конфигурацию многодиапазонной чередующейся решетки, которая требует изменения положения элементов для получения частот, связанных с наивысшей частотой не целым числом, в данном частном примере выбраны частоты f, f/2 и f/2,33;

фиг.6 - пример расширенной конструкции многодиапазонной чередующейся решетки (в двумерную или трехмерную решетку), в данном случае показано расширение решетки по фиг.1 в двух измерениях;

фиг.7 - один из предпочтительных рабочих режимов (АЕМ1), в котором используется многодиапазонная чередующаяся решетка, в которой многодиапазонные элементы являются мультитреугольными элементами, данная решетка одновременно может работать, например, в диапазонах GSM 900 и GSM 1800;

фиг.8 - другой предпочтительный рабочий режим (АЕМ2), в котором используется многодиапазонная чередующаяся решетка, в которой многодиапазонные элементы являются многоуровневыми элементами, данная решетка одновременно может работать, например, в диапазонах GSM 900 и GSM 1800;

фиг.9 - другой предпочтительный рабочий режим (АЕМ3), в котором используется многодиапазонная чередующаяся решетка, в которой многодиапазонные элементы являются многоуровневыми элементами, ее конфигурация подобна конфигурации по фиг.8, различие состоит в том, что новое расположение позволяет уменьшить полную ширину антенны;

фиг.10 - другой пример многодиапазонной антенны, которую можно использовать в многодиапазонных чередующихся решетках, представляющей собой пакетированную накладную антенну, которая в данном частном примере работает на двух дуальных частотах (например, GSM 900 и GSM 1800);

фиг.11 - расположение указанных накладок в решетке типа многодиапазонной чередующейся решетки (конфигурация АЕМ4), когда в противоположность предыдущему случаю многодиапазонные антенны используются только в тех местах, где это строго необходимо, в остальном используются монодиапазонные элементы, диаграмма направленности которых является достаточно сходной с диаграммой направленности многодиапазонного элемента в соответствующем диапазоне;

фиг.12 - другая конфигурация (АЕМ5), в которой элементы повернуты на 45° для обеспечения двойной поляризации при + 45° и - 45°.

Ниже приводится подробное описание предпочтительного варианта выполнения данного изобретения со ссылками на фигуры чертежей, на которых одинаковые или аналогичные части обозначены одинаковыми цифровыми позициями.

Многодиапазонная чередующаяся решетка (MIA) образована посредством наложения друг на друга различных обычных монодиапазонных решеток. Обычные антенные решетки обычно имеют монодиапазонные характеристики (то есть они работают внутри относительно узкого частотного диапазона, обычно порядка 10% вокруг центральной частоты), что обусловлено не только тем, что образующие ее элементы (антенны) имеют монодиапазонные характеристики, но также и тем, что физические расстояния между элементами также определяют рабочую длину волны. Обычные известные монодиапазонные решетки выполняют с расстоянием между элементами, равным половине длины волны, при этом расстояние может быть увеличено в некоторых конфигурациях для повышения направленности, при этом обычно оно сохраняется меньше длины волны, чтобы исключить появление дифракционных лепестков.

Эти чисто геометрические ограничения (величина длины волны определяет геометрию элементов решетки и их взаимные расстояния) составляют главное ограничение при их использовании в тех системах связи, в которых необходимо одновременно использовать разные частотные диапазоны. Характерным примером является система сотовой мобильной телефонии GSM. Первоначально располагаясь в диапазоне 900 МГц, система GSM стала одной из наиболее распространенных в мировом масштабе. Успех системы и чрезвычайный рост спроса на этот вид услуг привели к тому, что операторы сотовой мобильной телефонной связи расширили свои службы на новый диапазон - диапазон 1800 МГц для обеспечения обслуживания более широкого круга клиентов. Используя классическую технологию монодиапазонных антенн, операторы были вынуждены удвоить свои антенные сети для одновременного перекрытия диапазонов GSM 900 и GSM 1800. Использование одной многодиапазонной чередующейся решетки, разработанной специально для этой системы (аналогично частным случаям, показанным на фиг.7-12), позволяет операторам снизить стоимость своей сети базовых станций, сократить время расширения на новый диапазон и улучшить внешний вид своих установок в контексте окружающей среды (за счет упрощения всей излучающей структуры).

Необходимо отметить, что приведенный выше способ действий относится только к одному частному примеру многодиапазонной чередующейся решетки и ее применению. Как будет понятно специалисту в данной области техники, описанные многодиапазонные чередующиеся решетки, согласно данному изобретению, не ограничиваются указанной специальной конфигурацией и могут быть легко приспособлены для других частот и применений. В качестве неограничивающих примеров можно привести стандарт DECT, системы телефонной связи AMPS, PCS, UMT 2000, UMTS.

Работа многодиапазонных чередующихся решеток зависит от физического расположения образующих их антенн и от конкретного типа элемента, который используется в некоторых стратегических местах решетки.

Расположение элементов в многодиапазонной чередующейся решетке определяется положением элементов в монодиапазонных решетках с числом, соответствующим требуемым частотам или диапазонам частот. В этом смысле конструкция решетки близка к конструкции монодиапазонных решеток настолько, насколько возможно выбрать текущий весовой коэффициент для каждого элемента для формирования диаграммы направленности в соответствии с потребностями каждого применения. Конструкция многодиапазонной чередующейся антенны получается путем наложения друг на друга позиций разных монодиапазонных решеток. Естественно, такое наложение трудно реализовать на практике в тех положениях, в которых совпадают различные антенны разных решеток. Решение, предлагаемое данным изобретением, основывается на использовании многодиапазонных антенн (например, фрактального, мультитреугольного, многоуровневого типа и т.д.), которые перекрывают все связанные с их положением частоты.

Основной и частный пример расположения элементов в многодиапазонной чередующейся антенне показан на фиг.1. В столбцах на фиг.1а и 1b показаны две обычные монодиапазонные решетки, в которых расположение элементов (указанных с помощью черных кругов и окружностей соответственно) обычно выбрано таким образом, что расстояние между элементами меньше рабочей длины волны. Таким образом, если взять в качестве исходной рабочую частоту f решетки 1а, то решетка 1Ь будет работать на частоте f/2, поскольку расстояние между элементами в два раза больше, чем в предыдущем случае. На фиг.1с показано расположение элементов в многодиапазонной чередующейся решетке, которая способна одновременно работать на частотах f и f/2, сохраняя в основном те же возможности, что и две решетки 1а и 1b. В тех положениях, в которых элементы двух обычных решеток совпадают (показаны на фиг.1с с помощью черных кругов, расположенных в центре окружности), используется многодиапазонная антенна, способная работать таким же образом (имеет то же полное сопротивление и диаграмму направленности) на частотах, для решеток 1а и 1b. Остальные, не общие элементы (показанные черным кругом или окружностью) могут быть реализованы с помощью того же многодиапазонного элемента, используемого в общих положениях (и выбора рабочей частоты с помощью сети распределения сигнала), или же посредством использования обычных монодиапазонных элементов. В данном примере решетка 1с имеет дуальные характеристики относительно частоты (на частотах f и f/2), работая тем же образом, что и решетки 1а и 1b, однако с меньшим общим количеством элементов (12 вместо 16).

Из уровня техники известны многочисленные примеры многодиапазонных антенн. Антенны с фрактальной геометрией, мультитреугольные антенны, многоуровневые антенны, даже пакетированные накладные антенны являются некоторыми примерами антенн, способных работать аналогичным образом в различных диапазонах частот. Эти и другие многодиапазонные элементы можно использовать в положениях многодиапазонной чередующейся решетки, в которых совпадают элементы различных монодиапазонных решеток.

На следующих фигурах показаны другие конфигурации многодиапазонных чередующихся решеток, основанные на общей идее изобретения, хотя положение элементов согласовано с другими частотами. На фиг.2 показана конфигурация трехчастотной многодиапазонной чередующейся решетки, работающей на частотах f, f/2 и f/4. Расположение элементов в трех классических монодиапазонных решетках на частотах f, f/2 и f/4 показано на фиг.2а, 2b и 2с с помощью черных кругов, окружностей и квадратов соответственно. Положение элементов многодиапазонной чередующейся решетки определяется из конфигурации трех монодиапазонных решеток, сконструированных для каждой из трех частот. Три решетки сходятся вместе в многодиапазонной чередующейся решетке, которая показана на фиг.2d. В тех положениях, в которых элементы трех решеток сходятся вместе (показано на чертеже наложением разных геометрических фигур, идентифицирующих каждую решетку), используется многодиапазонный элемент. Трехчастотная решетка, показанная на фиг.2d, имеет те же характеристики, что и три решетки 2а, 2b и 2с на их соответствующих рабочих частотах, однако имеет только 13 элементов вместо 21, необходимых в целом для трех монодиапазонных решеток.

На фиг.3, 4 и 5 показана в качестве примера неограничительного характера конструкция других многодиапазонных чередующихся решеток на основе тех же технических принципов, но для других частот. В первых двух случаях используемые частоты в целое число раз превышают основную частоту. В случае фиг.5 отношение между частотами не ограничивается каким-либо конкретным правилом, хотя показан пример решетки, в которой можно комбинировать характеристики, необходимые для использования в стандартах GSM 900, GSM 1800 и UMTS. Возможна также работа в стандарте DECT.

В частности, на фиг.3 показан другой конкретный пример многодиапазонной чередующейся решетки, в которой разные рабочие частоты не разделены одним и тем же масштабным коэффициентом. Это относится к показанному на фиг.1 и 2 случаю, распространенному на 3 частоты: f, f/2 и f/3. Расположение элементов трех классических монодиапазонных решеток при частотах f, f/2 и f/3 показано на фиг.3а, 3b и 3с с помощью черных кругов, окружностей и квадратов соответственно. Столбец на фиг.3d показывает расположение элементов в трехдиапазонной чередующейся решетке. В тех положениях, в которых элементы трех решеток сходятся вместе (показано на чертеже наложением разных геометрических фигур, идентифицирующих каждую решетку), используется многодиапазонный элемент. Та же технология применяется в тех положениях, где совпадают элементы двух решеток, то есть необходимо использовать многодиапазонный элемент, способный перекрывать частоты, соответствующие его положению, предпочтительно тот же элемент, который используется в остальных положениях, при этом необходимые частоты выбираются с помощью фидерной системы. Необходимо отметить, что показанная на фиг.3d трехчастотная решетка имеет те же характеристики, что и три решетки 3а, 3b и 3с на соответствующих рабочих частотах, однако имеет только 12 элементов вместо 21, которые необходимы для трех монодиапазонных решеток.

На фиг.4 показан другой пример выполнения согласно изобретению многодиапазонной чередующейся решетки, в которой различные рабочие частоты не разделены одним и тем же масштабным коэффициентом. Это относится к расширению показанного на фиг.3 случая на частоты f, f/3 и f/4. Расположение элементов трех классических монодиапазонных решеток при частотах f, f/3 и f/4 показано на фиг.4а, 4b и 4с с помощью черных кругов, окружностей и квадратов соответственно. Столбец на фиг.4d показывает расположение элементов в трехдиапазонной чередующейся решетке. В тех положениях, в которых элементы трех решеток сходятся вместе (показано на чертеже наложением разных геометрических фигур, идентифицирующих каждую решетку), используется многодиапазонный элемент. Трехчастотная решетка, показанная на фиг.4d, имеет те же характеристики, что и три решетки 4а, 4b и 4с на их соответствующих рабочих частотах, однако имеет только 15 элементов вместо 24, которые необходимы для трех монодиапазонных решеток.

Следует еще раз отметить, что в конкретных примерах, показанных на фиг.3 и 4, решетки могут одновременно работать на 3 частотах. Расположение элементов таково, что три частоты не всегда совпадают во всех элементах. Тем не менее, за счет использования трехдиапазонных антенн в указанных положениях и выбора рабочих частот, например, с помощью обычной частотно-избирательной сети можно выполнить требуемую многодиапазонную чередующуюся решетку.

В некоторых конфигурациях многодиапазонной чередующейся решетки, в частности в тех, в которых различные рабочие частоты не кратны целой части наивысшей частоты f, необходимо изменить положение элементов так, как показано на фиг.5. В этом частном примере выбраны частоты f, f/2 и f/2,33. Расположение элементов трех классических монодиапазонных решеток при частотах f, f/2 и f/2,33 показано на фиг.5а, 5b и 5с с помощью черных кругов, окружностей и квадратов соответственно. Столбец на фиг.5d показывает расположение элементов в трехдиапазонной чередующейся решетке в соответствии с теми же принципами изобретения, что и в предыдущих примерах. Необходимо отметить, что в этом случае соотношение частот приводит к одинаковому расположению элементов в промежуточных положениях, что затрудняет ее практическое осуществление. Решением в данном случае является смещение положения элемента решетки, которая работает на самой низкой частоте (обозначены стрелками), на такую величину, чтобы оно совпадало с положением другого элемента (ближайшего) решетки наивысшей частоты, после чего два или более совпадающих элемента в новом положении заменяют многодиапазонным элементом. Пример окончательной конфигурации после изменения положения элементов показан на фиг.5е. Важно, чтобы перемещаемый элемент был предпочтительно элементом решетки, имеющей самую низкую частоту. Таким образом, относительное перемещение в отношении рабочей длины волны является наименьшим, а вероятность появления дифракционных лепестков уменьшается до минимума.

На фиг.6 показано, что конфигурация многодиапазонных чередующихся решеток не ограничивается линейным (одномерным) случаем, а включает также решетки в двух и трех измерениях (2D и 3D соответственно). Процедура распределения элементов решетки в случаях 2D и 3D остается прежней и заключается в замене различных совпадающих элементов одной многодиапазонной антенной.

Ниже приводится описание дополнительных примеров частных конфигураций многодиапазонных чередующихся решеток. В пяти примерах представлены различные конструкции для систем GSM 900 и GSM 1800 (диапазоны 890 МГц - 960 МГц и 1710 МГц - 1880 МГц). Речь идет об антеннах для базовых станций сотовой телефонной связи, которые имеют в основном одинаковые радиочастотные характеристики в обоих диапазонах. За счет использования таких версий многодиапазонной чередующейся решетки в качестве антенны операторы вдвое уменьшают количество устанавливаемых антенн и таким образом минимизируют стоимость и отрицательное визуальное воздействие базовых станций на окружающих среду.

Вариант АЕМ1

Конфигурация АЕМ1, показанная на фиг.7, основана на использовании мультитреугольных элементов GSM 900 и GSM 1800. Решетка образована за счет чередования двух обычных монодиапазонных решеток с расстоянием между элементами, меньшим длины волны в соответствующем диапазоне (обычно расстояние выбирается менее 0,9 от значения длины волны для минимизации появления дифракционного лепестка в направлении конечного излучения). Исходные решетки могут иметь 8 или 10 элементов в зависимости от коэффициента усиления, заданного оператором. Наложение друг на друга обеих решеток с образованием одной многодиапазонной чередующейся решетки достигается в этом случае за счет использования дуальных мультитреугольных элементов. Такие элементы содержат две точки возбуждения (по одной для каждого диапазона), что позволяет выбирать рабочий диапазон в соответствии с их положением в решетке. На фиг.7 показано положение элементов, а также их рабочие частоты. Показанные белыми элементы обозначают работу в диапазоне GSM 900; показанные черными элементы обозначают работу в диапазоне GSM 1800. Элементы, раскрашенные черным в нижнем треугольнике и белым в двух своих верхних треугольниках, указывают одновременную работу в обоих диапазонах. А именно, одновременная работа в обоих диапазонах через один многодиапазонный элемент (мультитреугольный элемент) в тех местах решетки (в тех позициях, в которых совпадают исходные монодиапазонные решетки) является одним из главных характеристических признаков многодиапазонной чередующейся решетки, согласно настоящему изобретению.

Способ питания элементов решетки АЕМ1 не является существенным признаком для многодиапазонных чередующихся решеток, согласно изобретению, и можно использовать любую обычную известную систему. В частности, при возбуждении мультитреугольных элементов в двух разных точках можно использовать независимую распределительную сеть для каждого диапазона. Другое альтернативное решение состоит в использовании широкодиапазонной или двухдиапазонной распределительной сети посредством включения объединителя/диплексера, который соединяет сеть и две точки возбуждения мультитреугольной антенны.

Для выполнения вышеназванных признаков антенна может иметь два гнезда входа/выхода или комбинированное гнездо при использовании объединителя/диплексера.

Вариант АЕМ2

Данная конкретная конфигурация АЕМ2, показанная на фиг.8, основана на многоуровневой антенне, которая действует в качестве многодиапазонного элемента. Дополнительно к работе одновременно в диапазонах GSM 900 и GSM 1800, антенна также имеет двойную поляризацию + 45° и - 45° относительно продольной оси решетки. Наличие у антенны двойной поляризации означает дополнительное преимущество для оператора сотовой телефонной связи, поскольку таким образом он может осуществить разнообразную систему, которая минимизирует эффект замирания за счет многолучевого распространения. Многоуровневый элемент, показанный на фиг.8, является более подходящим, чем мультитреугольный элемент, указанный выше, поскольку сам элемент имеет линейную поляризацию + 45° в диапазоне GSM 900 и - 45° в диапазоне GSM 1800.

Решетка выполнена за счет чередования двух обычных монодиапазонных решеток с расстоянием между элементами, меньшим, чем величина длины волны в соответствующем диапазоне (обычно расстояние выбирается менее 0,9 от величины длины волны для минимизации появления дифракционного лепестка в окончательном направлении излучения). Исходные решетки имеют 8 или 10 элементов в зависимости от коэффициента усиления, необходимого оператору. Наложение друг на друга обеих решеток с образованием одной многодиапазонной чередующейся решетки обеспечивается в данном случае посредством использования двухдиапазонных многоуровневых элементов. Эти элементы имеют две точки возбуждения (по одной для каждого диапазона), которые позволяют выбирать рабочий диапазон в соответствии с их положением в решетке. На фиг.8 показано расположение элементов, а также их рабочие частоты. Показанные белым цветом элементы предназначены для работы в диапазоне GSM 900. Показанные черным цветом элементы обозначают работу в диапазоне GSM 1800. Элементы, помеченные черным цветом в нижнем треугольнике и белым цветом в двух верхних треугольниках, имеют возможность одновременной работы в обоих диапазонах. Именно одновременная работа в обоих диапазонах через один многодиапазонный элемент (многоуровневый элемент) в тех местах решетки (в тех позициях, в которых совпадают исходные монодиапазонные решетки), является одним из главных характерных признаков многодиапазонной чередующейся решетки, согласно настоящему изобретению.

Можно обеспечить двойную поляризацию на основе возбуждения многоуровневого элемента в разных точках на его поверхности. Для повышения изоляции между гнездами различной поляризации в данном примере выбрано осуществление двойного столбца для разделения поляризации + 45 (левый столбец) от - 45 поляризации (правый столбец). Для улучшения изоляции между диапазонами можно даже изменять наклон в столбцах решетки в одном из диапазонов (например, в DCS).

Способ питания элементов решетки АЕМ2 не является существенным признаком многодиапазонных чередующихся решеток, согласно настоящему изобретению, и для этого можно использовать любую обычную известную систему. В частности, при возбуждении многоуровневых элементов в двух разных точках можно использовать независимую распределительную сеть для каждого диапазона и поляризации. Другое альтернативное решение состоит в использовании широкодиапазонной или двухдиапазонной распределительной сети посредством включения объединителя/диплексера, который соединяет сеть и две точки возбуждения многоуровневой антенны. В этом случае антенна может иметь четыре гнезда входа/выхода или два комбинированных гнезда при использовании объединителя/диплексера в каждой поляризации.

Вариант АЕМ3

Конфигурация АЕМ3, показанная на фиг.9, очень похожа на конфигурацию АЕМ2 (расположение многоуровневых элементов и тип самого элемента являются теми же, что и в предыдущем случае). Отличие состоит в том, что правый столбец развернут относительно левого столбца. Таким образом получена антенна с двумя диапазонами и поляризациями, при этом полная ширина антенны уменьшена по сравнению с предыдущим случаем (в этом частном примере ширина уменьшена примерно на 10%). Для улучшения изоляции между столбцами двойной поляризации обычно принято вводить наклонные пластины между смежными элементами. В данном случае боковые пластины включены во все элементы, которые работают в диапазоне GSM 1800, при этом эти пластины способствуют сужению луча излучения в горизонтальной плоскости (плоскости под прямым углом к продольной оси решетки).

В данном случае система распределения сигнала также не является существенным признаком для конфигурации многодиапазонной чередующейся решетки и для этого можно использовать ту же систему, что и в предыдущем случае.

Вариант АЕМ4

Другой пример многодиапазонной чередующейся решетки показан схематично на фиг.11 и обозначен как АЕМ4. В данном конкретном случае в качестве многодиапазонного элемента использована пакетированная квадратная накладная антенна (изображена на фиг.10), хотя для специалистов в данной области техники очевидно, что можно также использовать накладки (излучатели) другой формы. Типы элементов с квадратной или круглой формой являются предпочтительными в тех случаях, когда желательно работать с двойной поляризацией. В показанном на фиг.10 конкретном варианте исполнения использованы квадратные излучатели.

Размер нижнего излучателя соответствует его резонансной частоте (обычно связана с основным режимом излучателя), совпадающей с нижним диапазоном (в данном конкретном случае GSM 900). Кроме того, этот излучатель выполняет в свою очередь роль плоскости массы для верхнего излучателя. Последний имеет такой размер, что его резонансная частота находится в центре верхнего диапазона (GSM 1800). Элементы решетки установлены на металлической или на покрытой металлом поверхности, которая выполняет роль плоскости массы для всех элементов решетки. Фидерную систему применяют предпочтительно коаксиального типа, при этом один кабель используют для нижнего излучателя и диапазона, а другой кабель - для верхнего излучателя и диапазона. Точки возбуждения взаимно располагают на биссектрисах излучателей (например, приблизительное положение точек возбуждения обозначено кружками на фигуре, изображающей антенну), когда требуется вертикальная или горизонтальная поляризация, или же точки возбуждения располагают на диагоналях, если требуется линейная поляризация с наклоном 45°. В том случае, когда желательно, чтобы решетка работала с двойной поляризацией, каждый из излучателей возбуждается дополнительно на биссектрисе или диагонали, противоположной (ортогональной) первой.

Способ питания элементов решетки АЕМ4 не является существенным признаком многодиапазонных чередующихся решеток, согласно изобретению, и для этого можно использовать любую обычную известную систему. В частности, при возбуждении пакетированной накладной антенны в двух разных точках можно использовать независимую распределительную сеть для каждого диапазона и поляризации. Другое альтернативное решение состоит в использовании широкодиапазонной или двухдиапазонной распределительной сети посредством включения объединителя/диплексера, который соединяет сеть и две точки возбуждения пакетированной накладной антенны.

В этом случае антенна может иметь четыре гнезда входа/выхода (одно для каждого диапазона и поляризации) или только два комбинированных гнезда (одно для каждой независимой поляризации) при использовании сети объединителя/диплексера в каждой поляризации.

Вариант АЕМ5

В конфигурации АЕМ5, показанной на фиг.12, используется тот же подход, что и в конфигурации АЕМ4, однако все элементы повернуты на угол 45° в плоскости антенны. Тем самым изменяется диаграмма направленности в горизонтальной плоскости дополнительно к повороту поляризации на 45°.

Необходимо отметить, что как в конфигурации АЕМ4, так и в АЕМ5, многодиапазонный элемент, образованный пакетированными излучателями, строго необходим в тех стратегических положениях, в которых совпадают элементы исходных монодиапазонных решеток. В остальных положениях можно использовать любые многодиапазонные или монодиапазонные элементы, которые работают на частотах, определяемых их положением, если их диаграмма направленности достаточно схожа с диаграммой направленности пакетированной накладной антенны для предотвращения появления дифракционных лепестков.

Из вышеперечисленного описания конкретных примеров специалисту в данной области техники понятен объем изобретения и его преимущества, и он может осуществить на практике настоящее изобретение.

Настоящее изобретение описано применительно к его предпочтительному варианту выполнения. Возможны различные модификации изобретения без изменения его сути, причем такие модификации могут касаться, в частности, формы, размера и/или материала, из которого изготавливают предмет настоящего изобретения.

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в базовых и ретрансляционных станциях систем связи. Технический результат заключается в возможности одновременной работы в разных частотных диапазонах. Сущность изобретения заключается в наложении друг на друга или чередовании различных обычных монодиапазонных решеток, работающих в разных диапазонах. В тех местах, в которых совпали элементы этих монодиапазонных решеток, использована многодиапазонная антенна, которая перекрывает рабочие диапазоны этих монодиапазонных решеток. 18 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Чередующаяся многодиапазонная антенная решетка, приспособленная для работы одновременно на различных частотах, отличающаяся тем, что она сформирована из наложенных друг на друга монодиапазонных решеток в количестве, соответствующем количеству требуемых рабочих частот, и отдельных многодиапазонных антенн, способных перекрывать различные рабочие частоты, размещенных в местах решетки, в которых совпадают положения двух или более элементов монодиапазонных решеток.2. Чередующаяся многодиапазонная антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве многодиапазонной антенны использована фрактальная многодиапазонная антенна.3. Чередующаяся многодиапазонная антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве многодиапазонной антенны использована многодиапазонная многоуровневая антенна.4. Чередующаяся многодиапазонная антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве многодиапазонной антенны использована многодиапазонная мультитреугольная антенна.5. Чередующаяся многодиапазонная антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве многодиапазонной антенны использована многодиапазонная антенна, образованная путем пакетирования структур накладного или микрополосного типа.6. Чередующаяся многодиапазонная антенная решетка по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что на тех местах решетки, на которых не совпадают положения двух или более элементов монодиапазонных решеток, использована та же многодиапазонная антенна, что и в местах их совпадения.7. Чередующаяся многодиапазонная антенная решетка по п.6, отличающаяся тем, что рабочая частота фрактальной, многоуровневой или мультитреугольной многодиапазонных антенн установлена как функция ее положения в многодиапазонной чередующейся решетке с помощью частотно-избирательной структуры, например фильтра, резонатора или сети распределения сигнала решетки, которая является избирательной по частоте.8. Чередующаяся многодиапазонная антенная решетка по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что в тех положениях решетки, в которых не совпадают положения двух или более элементов монодиапазонных решеток, использована монодиапазонная антенна, рабочая частота которой определяется ее положением в решетке.9. Чередующаяся многодиапазонная антенная решетка по п.8, отличающаяся тем, что использована монодиапазонная антенна в тех положениях решетки, в которых не требуется многодиапазонный элемент, имеющая на одинаковой частоте диаграмму направленности, схожую с диаграммой направленности фрактальной, многоуровневой или мультитреугольной антенны, для подавления обычным образом дифракции в диаграмме направленности чередующейся многодиапазонной решетки.10. Чередующаяся многодиапазонная антенная решетка по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что во всех монодиапазонных решетках, которые наложены друг на друга для получения чередующейся многодиапазонной решетки, количество элементов, их пространственное распределение относительно длины волны, а также их текущие фаза и амплитуда установлены одинаковыми для получения одинакового множителя решетки в различных представляющих интерес диапазонах частот.11. Чередующаяся многодиапазонная антенная решетка по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что количество элементов, их пространственное распределение относительно длины волны, а также их текущие фаза и амплитуда выбраны с возможностью регулировки на каждой частоте с целью формирования диаграммы направленности в соответствии с конкретными требованиями системы связи, имеющей определенный рабочий диапазон частот.12. Чередующаяся многодиапазонная антенная решетка по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что рабочие диапазоны частот расположены вокруг 900 и 1800 МГц с целью обеспечения одновременной работы в мобильных сотовых системах телефонной связи GSM 900 и GSM 1800.13. Чередующаяся многодиапазонная антенная решетка по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что рабочие диапазоны частот расположены вокруг 900 и 3500 МГц с целью обеспечения одновременной работы в беспроводных и местных радиосистемах вызова, например, работающих в стандарте DECT.14. Чередующаяся многодиапазонная антенная решетка по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что рабочие диапазоны частот расположены вокруг 900, 1800 и 2100 МГц с целью обеспечения одновременной работы для мобильных сотовых систем телефонной связи GSM 900, GSM 1800 и UMTS.15. Чередующаяся многодиапазонная антенная решетка по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что рабочие диапазоны частот расположены вокруг 800 и 1900 МГц с целью обеспечения одновременной работы в мобильных сотовых системах телефонной связи AMPS и PCS.16. Чередующаяся многодиапазонная антенная решетка по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что дополнительно использована монодиапазонная сеть распределения сигнала для возбуждения монодиапазонных решеток на каждой рабочей частоте.17. Чередующаяся многодиапазонная антенная решетка по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что дополнительно использована многодиапазонная сеть распределения сигнала для возбуждения всех элементов решетки на всех частотах.18. Чередующаяся многодиапазонная антенная решетка по п.16, отличающаяся тем, что в терминалах сети распределения сигнала встроены или интегрированы частотно-избирательные элементы, такие, как, например, фильтры, резонаторы или диплексеры, которые позволяют определять, какие элементы решетки и на каких частотах возбуждены.19. Чередующаяся многодиапазонная антенная решетка по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что рабочие диапазоны частот расположены вокруг 900, 1800 и 2100 МГц с целью обеспечения одновременной работы в мобильных сотовых системах телефонной связи AMPS, PCS и UMT 2000.