АНТЕННАЯ СИСТЕМА С ИЗМЕНЯЕМОЙ ФОРМОЙ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ Российский патент 2011 года по МПК H01Q13/02 

Изобретение относится к области радиотехники, а более конкретно - к комбинированным конструкциям из первичных антенных элементов и узлов со вторичными устройствами, выполняемым с целью формирования требуемой диаграммы направленности антенны, а именно к антенным системам с изменяемой формой диаграммы направленности, которые могут быть применены в беспроводных точках доступа (WAP).

Бурное развитие и возросшее применение различных компактных радиоустройств, таких как эхорадарные датчики движения, радиоточки сетевого доступа (WAP), репитеры и базовые станции мобильной связи, потребовало разработки малогабаритных направленных антенн, необходимых для формирования оптимальной зоны обслуживания.

Использование такого набора антенн при установке внутри здания и внутри помещений оказалось необходимым для обеспечения качественной радиосвязи в условиях зоны обслуживания со сложной конфигурацией.

Оптимальными с точки зрения максимального усиления при минимальных размерах являются микрополосковые антенны, которые нашли широкое применение в малогабаритной радиоаппаратуре и антенных решетках.

Микрополосковые антенны на сегодняшний день широко описаны в различной специализированной литературе, см., например, P.Bhartia, Inder Bahl, R.Garg и A. Ittipiboon, "Microstrip Antenna Design Yandbook (ARTECH HOUSE ANTENNAS AND PROPAGATION LIBRARY)", Artech House Publishers, 01 November, 2000 [1] или Панченко Б.А., Нефедов Е.И., "Микрополосковые антенны" (Радио и Связь), 1986 [2].

Недостатком микрополосковых антенн является то, что их конструкция не позволяет изменять усиление антенны и, как следствие, изменять форму (ширину) ее диаграммы направленности.

Общий анализ различных конструкций антенн с направленным излучением показывает, что наиболее эффективными антеннами для направленного излучения являются рупорные антенны, хотя они и имеют достаточно большие габариты.

Наиболее близка к заявленному изобретению рупорная антенна, позволяющая изменять форму диаграммы направленности, описанная в патенте Японии №8330843 [3], которая состоит из главного рупора и дополнительных удлинительных рупорных насадок. Изменение усиления и формы диаграммы направленности данной рупорной антенны достигают путем выдвижения или складывания рупорных насадок. В сложенном состоянии рупорные насадки работают как запирающий стакан. В разложенном состоянии рупорные вставки работают как продолжение основного рупора и образуют рупор с широкой апертурой. Длина такой рупорной антенны с учетом выдвинутых вставок достигают порядка 1,5λ, высота L=λ/2÷3λ/2. Питание такой антенны осуществляют при помощи волновода и коаксиально волноводного перехода. Для сложения и выдвижения элементов рупора применяют электромеханические приводы. Данная антенна выбрана в качестве прототипа заявленного изобретения.

Недостаток рупорной антенны прототипа заключаются в следующем. К изготовлению выдвигающихся рупорных вставок предъявляются высокие требования, что существенно повышает их стоимость. Так внутренние размеры вставки должны совпадать с ответной частью, иначе образуется зазор, который обрывает электрическую связь деталей, в результате чего на образовавшейся неоднородности излучаемое поле искажается и усиление антенны может быть меньше.

Существующие на сегодня антенны беспроводных радиосетей имеют следующие недостатки:

- Они могут обеспечивать только фиксированную зону обслуживания, тем самым ограничивается функциональность и увеличивается стоимость установки беспроводной сети в целом, так как для перекрытия зоны обслуживания радиосети приходится увеличивать количество антенн и просчитывать места их установки.

- При необходимости перестройки зоны обслуживания недостаточно просто перестроить систему радиосети, поэтому возникает необходимость приобретения дополнительного оборудования взамен существующего, что увеличивает стоимость системы. Современные условия эксплуатации беспроволочных сетей требуют от конструкции антенны малых габаритов, низкой себестоимости и оптимальной диаграммы направленности (ДН).

Таким образом, задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в том, чтобы разработать конструкцию простой и компактной энергонезависимой антенной системы с изменяемой формой ДН, с уменьшенными габаритами, с малой себестоимостью, с увеличенным усилением.

Технический результат достигнут за счет создания новой конструкции антенной системы с изменяемой формой ДН, содержащей возбуждающую антенну и рупорную насадку, при этом возбуждающая антенна состоит из металлического экрана-отражателя, который имеет плоское основание и расположенные по периметру основания боковые стенки, а также излучателя, установленного на основании в его центре, к которому присоединен коаксиальный кабель питания, причем рупорная насадка, излучатель и плоское основание металлического экрана-отражателя имеют прямоугольную форму, при этом отличительным признаком такой антенны является то, что узкий конец рупорной насадки имеет форму волновода, который выполнен с возможностью электромеханического соединения с боковыми стенками основания экрана-отражателя.

В предпочтительном варианте реализации заявляемого изобретения предусмотрено оптимальное расположение и геометрические размеры основных элементов антенной системы, а именно длины сторон прямоугольного излучателя равны 0,44λ и 0,26λ, где λ - средняя длина волны излучаемого сигнала, высота боковых стенок основания экрана-отражателя совпадает с высотой волновода рупорной насадки и равна 0,12λ, боковые стенки основания экрана-отражателя расположены по периметру квадрата с длиной стороны, равной 0,85λ, излучатель выполнен в виде пластины и установлен на высоте 0,07λ от основания, длина стороны апертуры рупорной насадки равна 1,32λ, а полная высота рупорной насадки равна 0,33λ.

Для функционирования антенной системы имеет смысл, чтобы все ее элементы были расположены симметрично на оси, перпендикулярной основанию экрана-отражателя.

Для функционирования антенной системы имеет смысл, чтобы возбуждающая антенна была из набора антенн, который содержит микрополосковую антенну, напечатанную на печатной плате, микрополосковую антенну с воздушным заполнителем и дипольную антенну с рефлектором.

Для функционирования антенной системы имеет смысл, чтобы в возбуждающей антенне была реализована круговая поляризация. Круговую поляризацию можно реализовать на микрополосковой антенне путем подачи питания на нее двух одинаковых сигналов со сдвигом фаз +/-90 градусов через две ортогональные точки на ее поверхности или путем применения двух ортогонально установленных дипольных антенн, подавая на них одинаковые сигналы со сдвигом фаз +/-90 градусов.

Для функционирования антенной системы имеет смысл, чтобы рупорная насадка была выполнена в виде пирамидального рупора.

Для лучшего понимания предложенного изобретения далее приводится его подробное описание с соответствующими чертежами.

Фиг.1 - схема антенной системы согласно изобретению: 1.1 - вид сбоку, 1.2 - вид сверху.

Фиг.2 - график расчетных данных КВС микрополосковой антенны и антенной системы согласно изобретению.

фиг.3 - график коэффициента усиления, в направлении главного максимума излучения, микрополосковой антенны и антенной системы согласно изобретению.

Фиг.4 (виды 4.1 и 4.2) - диаграммы направленности микрополосковой антенны и антенной системы согласно изобретению.

фиг.5 (виды 5.1 и 5.2) - схема применения в помещениях разной конфигурации микрополосковой антенны (вид 5.1) и антенной системы согласно изобретению (вид 5.2).

Рассмотрим более подробно вариант выполнения предложенной антенной системы с использованием микрополосковой антенны в качестве возбуждающей. Микрополосковая антенна с воздушным заполнением имеет пластину-излучатель 4 с размерами сторон с=0,44λ и d=0,26λ (где λ - средняя длина волны излучаемого сигнала), высоту H_p и запитывается коаксиальным кабелем 5.

Размер пластины-излучателя 4 микрополосковой антенны и высота его установки над экраном H_p рассчитываются типовыми, хорошо известными методами вычисления микрополосковых антенн с использованием воздушной среды (ε=1) и для данной средней длины волны λ.

Вместо воздушной микрополосковой антенны можно использовать печатную антенну, диполь или другие компактные возбудители.

Экран, на котором размещается пластина-излучатель микрополосковой антенны, имеет металлические стенки высотой H_w=0,12λ, которые расположены по периметру квадрата с размером стороны а=0,85λ. Они предназначены для установки рупорной насадки 3 вплотную к поверхности 2 экрана. На рупорной насадке предусмотрены места 6 крепления к экрану 1.

Основные геометрические размеры антенной системы, представленной в данном изобретении, определены экспериментально и оптимизированы для максимального усиления антенны при минимальных габаритах.

Оптимальные размеры, представленные на Фиг.1 были получены на опытном макете микрополосковой антенны, настроенной для средней частоты рабочего диапазона 8,85 ГГц, которому соответствует длина волны λ≈33,9 мм. Размер апертуры такой антенны, как и плоской части поверхности земляного экрана-отражателя 1, получился равным а=0,85λ. Размер пластинки-излучателя с=0,44λ и d=0,26λ, высота установки пластинки-излучателя над землей H_p=0,07λ, а высота (или толщина) микрополосковой антенны без учета толщины стенки рефлектора и установленной рупорной насадки H_w=0,12λ. При данных размерах максимальное, экспериментально измеренное усиление антенны, в заданном диапазоне частот, составляет не менее +7,4 дБ, Фиг.3. Экспериментальным путем были подобраны размеры рупорной насадки. Размер апертуры после установки насадки на микрополосковую антенну получился равным b=1,32λ, высота рупорной насадки получилась равной H_h=0,33λ. При данных размерах максимальное, экспериментально измеренное усиление антенны, в заданном диапазоне частот, не менее +10,4 дБ, Фиг.3. Таким образом, установка такой рупорной насадки позволила поднять усиление антенны на 3 дБ во всем диапазоне частот.

При необходимости изменения усиления можно выполнить рупорные насадки других размеров. Так при увеличении размера апертуры и высоты рупорной насадки усиление антенны будет расти.

На Фиг.1.1 представлена общая конфигурация конструкции рупорно-микрополосковой антенны настоящего изобретения. Микрополосковая антенна без рупорной насадки имеет широкую диаграмму направленности, Фиг.4.1, 4.2, Фиг.5.1. Установка рупорной насадки сужает диаграмму направленности микрополосковой антенны, что и повышает ее усиление, Фиг.4.1, 4.2, Фиг.3, Фиг.5.2.

Оптимальный способ использования данной антенны в закрытом помещении иллюстрируют Фиг.5.1 и 5.2, где антенна 8 установлена на верхней части стены в комнате или зале 7. Основной лепесток диаграммы направленности антенны можно менять путем установки рупорной насадки, что позволяет равномерно распределить излучаемую мощность в зоне обслуживания с различной конфигурацией помещения.

Антенная система, описанная в настоящем изобретении, предназначена для работы в структуре различных систем радиосвязи, где требуется направленная передача или направленный прием радиосигнала в широком диапазоне частот, например:

1) в беспроволочных локальных компьютерных сетях (WLAX) для работы в структуре базовых станций (WAP);

2) в различных устройствах сотовой связи типа ретрансляторов или как элемент антенной решетки для базовых станций;

3) в системах безопасности и охраны помещений.

Главная идея предложенного изобретения состоит в создании антенны, объединяющей в себе два различных типа: компактной антенны возбудителя (например, микрополосковой антенны) и рупорной антенны (рупорной насадки). Комбинация двух этих типов антенн основана на следующем принципе - антенна возбуждает в коротком фрагменте рупора электромагнитную волну с распределителем поля, максимально подобным распределению поля в аналогичной секции рупорной антенны. В антенне реализована возможность установки на базовую конструкцию возбуждающей антенны рупорной насадки, что позволяет изменять ее ДН и как результат повысить ее усиление.

В связи с вышесказанным, основная особенность данного изобретения - это простая, малогабаритная, энергонезависимая, дешевая конструкция антенны с изменяемой диаграммой направленности.

При этом антенна состоит из излучателя и рупорной насадки, обеспечивающей увеличение усиления на 3 дБ.

Установка антенна с необходимым усилением производится вручную, единожды в процессе установки антенны с учетом конфигурации помещения, путем установки на антенну рупорных насадок.

Это позволяет обеспечивать высокий уровень сигнала во всей зоне обслуживания.

Все детали антенной системы настоящего изобретения имеют простую форму и сделаны из однородного и однотипного токопроводящего материала. Это позволяет реализовать изготовление их в массовом производстве легко и дешево, используя штамповку из фольги или пластмассовое литье с последующим токопроводящим покрытием. Для изготовления антенны печатным методом подойдет фольгированная плата, выполняющая также функции несущей конструкции.

Хотя указанный выше вариант выполнения изобретения был изложен с целью иллюстрации настоящего изобретения, специалистам ясно, что возможны разные модификации, добавления и замены, не выходящие из объема и смысла настоящего изобретения, раскрытого в прилагаемой формуле изобретения.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в беспроводных точках доступа. Техническим результатом является уменьшение габаритов, себестоимости, увеличение усиления, упрощение компактной энергонезависимой антенной системы с изменяемой формой диаграммы направленности (ДН). Антенная система с изменяемой формой ДН излучения содержит возбуждающую антенну и рупорную насадку. Возбуждающая антенна состоит из металлического экрана-отражателя, который имеет плоское основание и расположенные по периметру основания боковые стенки, а также излучателя, установленного на основании в его центре, к которому присоединен коаксиальный кабель питания. Рупорная насадка, излучатель и плоское основание металлического экрана-отражателя имеют прямоугольную форму. Технический результат достигается за счет того, что узкий конец рупорной насадки имеет форму волновода, который выполнен с возможностью электромеханического соединения с боковыми стенками основания экрана-отражателя. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Антенная система с изменяемой формой диаграммы направленности излучения, содержащая возбуждающую антенну и рупорную насадку, при этом возбуждающая антенна состоит из металлического экрана-отражателя, который имеет плоское основание и расположенные по периметру основания боковые стенки, а также излучателя, установленного на основании в его центре, к которому присоединен коаксиальный кабель питания, причем рупорная насадка, излучатель и плоское основание металлического экрана-отражателя имеют прямоугольную форму, отличающаяся тем, что узкий конец рупорной насадки имеет форму волновода, который выполнен с возможностью электромеханического соединения с боковыми стенками основания экрана-отражателя.

2. Антенная система по п.1, отличающаяся тем, что длины сторон прямоугольного излучателя равны 0,44λ и 0,26λ, где λ - средняя длина волны сигнала излучателя, высота боковых стенок основания экрана-отражателя совпадает с высотой волновода рупорной насадки и равна 0,12λ, боковые стенки основания экрана-отражателя расположены по периметру квадрата с длиной стороны, равной 0,85λ, излучатель выполнен в виде пластины и установлен на высоте 0,07λ от основания, длина стороны апертуры рупорной насадки равна 1,32λ, а полная высота рупорной насадки равна 0,33λ.

3. Антенная система по п.1, отличающаяся тем, что рупорная насадка выполнена из нескольких рупорных фрагментов, обладающих возможностью их последовательного электромеханического соединения между собой.

4. Антенная система по п.1, отличающаяся тем, что возбуждающая антенна выбрана из набора антенн, который содержит микрополосковую антенну, напечатанную на печатной плате, микрополосковую антенну с воздушным заполнением и дипольную антенну с рефлектором.

5. Антенная система по п.1, отличающаяся тем, что в возбуждающей антенне реализована круговая поляризация.

6. Антенная система по п.1, отличающаяся тем, что рупорная насадка выполнена в виде пирамидального рупора.