СИНФАЗНАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА С КРУГОВОЙ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ Российский патент 2014 года по МПК H01Q21/00 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в антенно-фидерных устройствах в качестве направленной антенны круговой поляризации и, в частности, в системах мобильной радиосвязи сотовой структуры.

Системы мобильной радиосвязи, развертываемые в УВЧ диапазоне радиочастот в виде сетей сотовой структуры, наиболее часто используют в составе антенно-фидерных устройств направленные панельные антенны, формирующие диаграмму направленности (ДН) с параметрами, которые выбираются исходя из требуемой зоны покрытия. Наиболее часто в сетях мобильной радиосвязи сотовой структуры используются антенны с линейной вертикальной или наклонной поляризацией, формирующие узкую ДН в вертикальной плоскости и широкую ДН в горизонтальной плоскости. Типовые значения ширины ДН антенн в горизонтальной плоскости, используемые в сетях мобильной радиосвязи сотовой структуры, составляют 65° и 90°. Данные антенны, традиционно используемые в составе оборудования базовых станций сети мобильной радиосвязи, имеют либо линейную вертикальную поляризацию, либо линейную +45° или -45° наклонную поляризацию. При этом антенна абонентского терминала, как правило, является ненаправленной и имеет также линейную поляризацию, ориентация которой в общем случае является произвольной, что приводит к возможности возникновения поляризационной несогласованности с антеннами БС и ослаблению принимаемых БС и АС сигналов. Величина данного ослабления статистически составляет более 5 дБ для 38% возможных положений абонентского терминала, более 10 дБ для 21% и более 15 дБ для 12%, что в условиях подвижности абонента и изменения взаимного пространственного положения будет означать существенное снижение качества предоставляемых услуг, вплоть до полного пропадания связи. Проблема поляризационной несогласованности особенно актуальна для БС, использующих антенны с линейной вертикальной поляризацией, поэтому для повышения качества принимаемого сигнала на БС применяются, в основном, сдвоенные кроссполяризованные антенны с линейной +45° или -45° наклонной поляризацией. При этом передача сигнала БС осуществляется одной из антенн и имеет наклонную поляризацию, поэтому проблема ослабления за счет поляризационной несогласованности сигнала принимаемого АС остается, и обеспечение требуемого качества достигается увеличением мощности передатчиков БС.

Примером сети радиосвязи сотовой структуры, в которой может быть достигнуто улучшение качества связи за счет применения антенны с круговой поляризацией, могут быть сети подвижной радиосвязи, развертываемые с использованием перспективных радиотехнологий IMT-2000/UMTS, LTE и NG1, известной в мире под брендом технологии подвижной радиосвязи беспроводного широкополосного доступа McWiLL и др.

Проблема ослабления за счет поляризационной несогласованности сигналов, принимаемых как БС, так и АС, может быть решена за счет использования на БС сети мобильной радиосвязи сотовой структуры антенн с круговой поляризацией. Недавние исследования, проводимые применительно к сетям радиосвязи, развертываемым в УВЧ диапазоне радиочастот, показали существенный прирост улучшения качества радиосвязи от использования антенн с круговой поляризацией применительно к подвижным абонентам. Полученные в [1, 2] результаты свидетельствуют о численной величине энергетического выигрыша при использовании антенны с круговой поляризацией, составившей в среднем 5-7 дБ по сравнению с антенной с линейной поляризацией. Именно на такую величину потребуется увеличить мощность передатчика для создания эквивалентного качества связи.

Таким образом, решение задачи повышения качества связи применительно к существующим и перспективным системам радиосвязи сотовой структуры, в сущности, сводится к модернизации антенн базовых станций, заключающейся в создании новой структуры и конструктивного исполнения апертурной антенны, которая обеспечивала бы формирование круговой поляризации и реализацию максимально возможного для этой антенны коэффициента использования поверхности (КИП) при минимальных размерах излучающей апертуры и за счет этого ослабление влияния поляризационной несогласованности излучаемого сигнала с приемной антенной и повышение качества связи.

В изобретении решается задача улучшения технико-экономических характеристик апертурных антенн поперечного излучения с круговой поляризацией излучаемого поля, используемых, в частности, в системах мобильной радиосвязи сотовой структуры.

Петлевые антенны, к числу которых относятся круглые, квадратные, треугольные, прямоугольные, ромбические и рамочные, как правило, используются в качестве линейно поляризованных антенн. В последние годы было установлено, что петлевая антенна может формировать также круговую поляризацию, если в каждой из петель ввести разрыв [3]. Предпосылкой для формирования круговой поляризации является наличии бегущей волны распределения токов, возбуждаемых вдоль петли.

Известна антенна с круговой поляризацией типа «двойная ромбическая петлевая антенна» [3], представляющая собой проволочную антенну, состоящую из двух ромбовидных петель одинакового размера, расположенных над сплошным экраном. Каждая из петель имеет по одному разрыву, которые расположены симметрично по отношению к точке питания. Изменение периметра, угла при вершине ромба и положение разрыва петли позволяет достичь ширины полосы частот по уровню коэффициента эллиптичности 2 дБ около 20% от величины центральной частоты, а направление круговой поляризации может быть изменено с левой на правую и наоборот изменением места разрыва. Недостатком антенны является небольшой коэффициент направленного действия (КНД), определяемый малой эффективной площадью излучателя, а также большие габаритные размеры, ограничивающие возможность использования данной антенны в качестве элемента синфазной антенной решетки, формирующей секторную диаграмму направленности, при шаге установки антенных элементов, равном половине средней длины волны рабочего диапазона.

Известен также способ возбуждения и настройки синфазной антенной решетки, предполагающий возбуждение излучателей линейной решетки напряжением в пучностях стоячей волны, формируемой в двухпроводной линии, присоединенной к излучателям решетки, путем закорачивания ее проводников с двух концов на расстояниях от точек возбуждения крайних излучателей решетки, удовлетворяющих условию параллельного резонанса в контуре, эквивалентном закороченному отрезку двухпроводной линии. При этом период следования прерываний прохождению токов в смежные пары ромбовидных элементов и период следования возбуждений излучателей решетки напряжением выбирают равным средней длине волны возбуждаемых в двухпроводной линии колебаний, выполняют резонансную настройку крайних излучателей решетки, при которой осуществляют согласование антенны с питающим фидером и синфазное возбуждение излучателей решетки, выравнивают амплитуды токов в проводниках излучателей решетки, симметрируют токи в проводниках двухпроводной линии относительно возникших на ее концах точек нулевого потенциала [4].

Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение, - создание синфазной антенной решетки с круговой поляризацией с единственной точкой подключения питающего фидера, а также увеличение коэффициента использования поверхности излучающей апертуры синфазной антенной решетки из антенных элементов, выполненных в виде расположенных в одной плоскости двух петель прямоугольной формы с разрывами. Дополнительный технический результат, который может быть получен при выполнении синфазной антенной решетки из упомянутых антенных элементов, - расширение рабочей полосы частот, упрощение конструкции и уменьшение массогабаритных характеристик антенны.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известной антенне, выполненной в виде двух ромбовидных петель одинакового размера с симметрично расположенными разрывами, предполагается изменить форму петель на прямоугольную с величиной стороны прямоугольника в пределах 0.2λ…0.24λ, где λ - средняя длина волны рабочего диапазона, при этом обе петли расположены в одной плоскости и сближены на величину в пределах 0.01λ…0.08λ сторонами прямоугольников, на которых располагаются разрывы петель, что позволяет уменьшить продольный размер антенны до величины, необходимой для возможности ее использования в качестве элемента синфазной антенной решетки при шаге установки антенных элементов, равном половине средней длины волны, что обеспечит максимальное использование апертуры и как следствие максимальный коэффициент направленного действия при формировании диаграммы направленности секторного типа. К концу проводника каждой петли антенного элемента, противоположному точке его питания, подключен перпендикулярный смежным сторонам прямоугольных петель антенного элемента отрезок проводника длиной в пределах 0.01λ…0.04λ, изменением длины которого корректируется входное сопротивление антенного элемента. В антенную решетку введена двухпроводная линия, выполненная из двух трубок диаметром 2r, параллельных друг другу и продольной оси решетки, находящихся на расстоянии s<2r друг от друга, и короткозамкнутых между собой на концах, в середине между короткозамкнутыми концами двух трубок в стенке одной из них выполнено отверстие, в полости этой трубки со стороны верхнего или нижнего излучателя решетки до отверстия проложен коаксиальный фидер, наружный проводник которого подсоединен к трубке непосредственно у отверстия, а центральный проводник выведен из отверстия и подсоединен к другой трубке. При этом в известном способе возбуждения и настройки синфазной антенной решетки, предполагающем возбуждение излучателей линейной решетки напряжением в пучностях стоячей волны, формируемой в двухпроводной линии, присоединенной к излучателям решетки, согласно изобретению запитка антенных элементов, выполненных в виде указанной выше формы антенн с круговой поляризацией, происходит с шагом, равным половине средней длины волны, посредством отрезков двухпроводной линии, ось которой перпендикулярна плоскости расположения петель антенных элементов, длиной не более четверти средней длины волны, проводники которых со стороны одного конца подключены к серединам смежных сторон прямоугольных петель указанных выше антенн, а со стороны другого конца к питающей двухпроводной линии в пучностях напряжения стоячей волны, при этом для обеспечения фазировки элементов синфазной антенной решетки указанные выше отрезки двухпроводной линии подключаются к питающей двухпроводной линии синфазно для нечетных антенных элементов и противофазно для четных антенных элементов, что обеспечивается соответственно прямым или инверсным соединением проводников отрезка двухпроводной линии со стороны одного из концов. Длина l_ш отрезков двухпроводной линии от мест короткого замыкания трубок до точек соединения отрезков двухпроводной линии, питающих крайние антенные элементы решетки, с трубчатыми проводниками двухпроводной линии выбрана из соотношения 0.23λ≤l_ш≤0.27λ, где λ - средняя длина волны возбуждаемых в двухпроводной линии колебаний, двухпроводная линия выполнена с возможностью изменения длины l_ш короткозамкнутых отрезков.

В антенную решетку введен плоский экран, расположенный параллельно плоскости расположения петель антенных элементов, при этом плоский экран выполнен прямоугольным, его длина не меньше длины питающей двухпроводной линии, ширина экрана выбрана большей, чем λ/2, причем расстояние h_Э между плоскостью экрана и плоскостью расположения петель антенных элементов было выбрано удовлетворяющим условию 0.16λ≤h_Э≤0.36λ. Двухпроводная линия располагается вблизи экрана, причем расстояние h_Л между плоскостью экрана и осью питающей двухпроводной линии выбрано удовлетворяющим условию h_Л<≤0.08λ. Крепление двухпроводной линии к экрану осуществляется посредством стоек 23, вынесенных за перемычки 13 по направлению от центра решетки.

Возможны дополнительные варианты осуществления изобретения, в которых целесообразно, чтобы:

- возбуждение излучателей решетки осуществляли бы посредством коаксиального фидера, проводники которого соединяли бы с проводниками двухпроводной линии либо на ее верхнем или нижнем конце на расстоянии l_n≤0.08λ от точек присоединения отрезков двухпроводной линии, присоединяемых соответственно к верхнему или нижнему антенному элементу решетки, с резонансной настройкой излучателей решетки на противоположном конце двухпроводной линии;

- общее количество антенных элементов решетки было выбрано нечетным, а место подсоединения коаксиального фидера к двухпроводной линии было бы выполнено в геометрической середине решетки;

- двухпроводная линия заменена на полосковую с соответствующим волновым сопротивлением, подложка которой может примыкать непосредственно к экрану или быть объединена с ним.

На фиг.1 представлена антенна с круговой поляризацией в виде расположенных в одной плоскости двух петель прямоугольной формы с разрывами; на фиг.2 показаны распределение токов в проводниках антенных элементов решетки при резонансной настройке на средней длине волны λ и положение вектора Е поляризации излучаемой волны в двух эпюрах, соответствующих временному сдвигу питающего напряжения, равному четверти периода радиочастотного колебания резонансной частоты; на фиг.3 представлена структурная схема заявленной синфазной антенной решетки с числом антенных элементов, равным трем, и с плоским экраном; на фиг.4 показаны частотные зависимости входного сопротивления и КСВн, измеренные с использованием макета антенной решетки с тремя антенными элементами, на фиг.5 - то же, что фиг.4, после включения в макет антенной решетки согласующей цепи; на фиг.6 показана частотная зависимость коэффициента эллиптичности поляризации излучаемого поля в направлении главного максимума диаграммы направленности антенной решетки.

Синфазная антенная решетка (фиг.1) содержит три антенных элемента с круговой поляризацией, выполненных в виде расположенных в одной плоскости двух петель прямоугольной формы 16 с разрывами 9, расположенными симметрично относительно точки геометрического центра антенного элемента. Расположенные в одной плоскости две петли прямоугольной формы 16 всех антенных элементов приближены друг к другу в ряд так, что расстояние между геометрическими центрами антенных элементов d равно половине средней длины волны рабочего диапазона. Общая длина периметра петли антенного элемента, включающая отрезки 1-6, выбрана удовлетворяющей условию образования бегущей волны распределения тока на периметре петли, а соотношение сторон прямоугольника петли выбрано из условия возможности использования антенного элемента в виде расположенных в одной плоскости петель прямоугольной формы в качестве элемента синфазной антенной решетки с величиной шага, равным половине средней длины волны λ. Для этого длина периметра петли выбрана в пределах (0.9…1)λ, а длина сторон 2 и 4 выбрана в пределах 0.2λ…0.24λ, при этом величина промежутка между смежными сторонами петель антенного элемента выбрана в пределах 0.01λ…0.08λ, так что общий продольный размер антенного элемента р не превышает величины 0.49λ. Величина отрезка 6 выбрана в пределах 0.01λ…0.04λ, изменением длины которого может быть скорректировано входное сопротивление антенного элемента. Введена двухпроводная линия 17, выполненная из двух трубок диаметром 2r, расположенных параллельно друг другу и продольной оси решетки на расстоянии s<2r друг от друга. Присоединения петель прямоугольной формы 16 антенных элементов к питающей двухпроводной линии 17 производится в пучностях напряжения стоячей волны, посредством отрезков двухпроводной линии 11 и 12, длина которых не превышает величины λ/4 и ось симметрии которых перпендикулярна плоскости, в которой лежат петли антенных элементов. Проводники отрезков двухпроводной линии 11 и 12 подсоединены с одного конца в точках 7 и 8 смежных сторон петель антенных элементов прямоугольной формы к соответственно четным и нечетным антенным элементам, а с другого конца - к точкам питающей двухпроводной линии, соответствующим пучностям напряжения стоячей волны. При этом для обеспечения фазировки элементов синфазной антенной решетки отрезки двухпроводной линии 11 и 12 подсоединяются к питающей двухпроводной линии соответственно синфазно для нечетных антенных элементов и противофазно для четных антенных элементов, что обеспечивается соответственно прямым и инверсным соединением проводников отрезков двухпроводной линии 11 и 12 со стороны одного из концов.

В отличие от прототипа в заявленном устройстве антенные элементы выполнены в виде расположенных друг над другом петель прямоугольной формы с разрывами, выполненными симметрично относительно центра антенного элемента, и длинами сторон в пределах 0.2λ…0.24λ, что при величине промежутка 10 между смежными сторонами петель антенных элементов в пределах 0.01λ…0.08λ позволяет их использовать в качестве элемента синфазной антенной решетки с величиной шага, равной λ/2. Этим достигнуто повышение коэффициента использования апертуры и увеличение коэффициента направленного действия антенной решетки при формировании диаграммы направленности секторного типа.

Трубки питающей двухпроводной линии 17 короткозамкнуты между собой на концах с помощью перемычек 13. В середине между перемычками 13 в одной из трубок питающей двухпроводной линии 17 выполнено отверстие 19, в полости этой трубки со стороны верхнего излучателя решетки до отверстия 19 проложен коаксиальный фидер 18. Наружный проводник 14 коаксиального фидера 18 подсоединен к этой трубке по периметру отверстия 19, а центральный проводник 15 выведен из отверстия 13 и подсоединен к другой трубке питающей двухпроводной линии 17. Проводники отрезка двухпроводной линии 11, присоединенные к петлям центрального антенного элемента с одной стороны в точках 7 и 8, с другой стороны присоединяются к питающей двухпроводной линии 17 в точках 20 и 21, к которым подсоединены проводники 14 и 15 коаксиального фидера 18. Нечетные антенные элементы решетки (в данном случае два антенных элемента), следующие в обе стороны от центрального антенного элемента решетки с шагом d=λ/2, также присоединены к питающей двухпроводной линии 17 посредством отрезков двухпроводной линии 12 в точках 20 и 21. При этом для обеспечения фазировки элементов синфазной антенной решетки отрезки двухпроводной линии 11 и 12 подключаются к питающей двухпроводной линии 17 синфазно для нечетных антенных элементов и противофазно для четных антенных элементов, что обеспечивается соответственно прямым или инверсным соединением проводников отрезков двухпроводной линии 11 или 12 со стороны одного из концов.

Длина l_ш короткозамкнутых отрезков двухпроводной линии 17 от точек 20, 21 присоединения проводников отрезков двухпроводной линии 12 крайних антенных элементов решетки до перемычек 13 выбрана удовлетворяющей условию параллельного резонанса в контуре, эквивалентном закороченному отрезку двухпроводной линии. Для этого l_ш выбрана из соотношения 0,23λ≤l_ш≤0,27λ. Величина зазора s выбрана равной 0.01λ, которой при 2r=0,02λ соответствует значение волнового сопротивления двухпроводной линии 17, равное 115 Ом. Двухпроводная линия 17 выполнена с возможностью изменения длины l_ш короткозамкнутых отрезков в указанных пределах путем перемещения по проводникам питающей двухпроводной линии 17 перемычек 13.

Если общее количество антенных элементов решетки выбрано нечетным и равным трем (фиг.3), то при возбуждении стоячей волны в питающей двухпроводной линии 17 в середине антенной решетки образуется из этих излучателей апертурная антенна с максимальной для данной антенны рабочей полосой частот. Увеличение количества антенных элементов позволяет увеличить коэффициент усиления антенны и сузить диаграмму направленности антенной решетки в вертикальной плоскости. Таким образом, могут быть реализованы различные варианты исполнения секторной антенны с круговой поляризацией, необходимых при строительстве сети мобильной радиосвязи.

Введение в антенно-фидерное устройство фиг.3 плоского экрана 22, расположенного параллельно плоскости расположения петель антенных элементов 16 на расстоянии h_Э от нее, удовлетворяющем условию 0.16λ≤h_Э≤0.36λ, увеличивает коэффициент усиления примерно на 3 дБ и позволяет сформировать однолепестковую диаграмму направленности секторного типа. Плоский экран 22 выполнен прямоугольным. Его длина L не меньше расстояния А_n между наиболее удаленными от середины в продольном направлении антенной решетки сторонами 3 петель крайних антенных элементов, в общем случае, равном длине питающей двухпроводной линии. Ширина В экрана 22 выбрана большей, чем λ/2.

Предпочтительные пределы изменения геометрии заявленных антенно-фидерных устройств, показанных на фиг.1, 3, полученные в результате моделирования на ЭВМ, следующие:

- длина сторон петель прямоугольной формы 16 антенных элементов в пределах 0.2λ…0.24λ;

- длина l_ш отрезков двухпроводной линии 17 от точек мест 13 короткого замыкания до точек 20 и 21 присоединения отрезков двухпроводной линии 12, присоединенных к крайним антенным элементам решетки - 0.23λ≤l_ш≤0.27λ, величина разрывов 9 в петлях антенных элементов - в пределах 0,02λ…0,05λ, расстояние 10 между смежными сторонами петель антенных элементов 16-0,035λ;

- величина зазора s между трубчатыми проводниками питающей двухпроводной линии 17 диаметром 2r=0,02λ составляет 0,01λ;

- расстояние h_Э от плоского экрана 22 до плоскости расположения петель 16 антенных элементов - 0,21λ≤h_Э<0,26λ;

- длина проводников 6 петель антенных элементов - 0,01λ…0,02λ.

Антенно-фидерное устройство в режиме передачи работает следующим образом.

Энергия электромагнитных колебаний, генерируемых передатчиком, по коаксиальному фидеру 18 канализируется к точкам 20, 21 питания решетки источником сигнала, которые являются точками приложения ЭДС источника. Под воздействием ЭДС источника на трубчатых проводниках питающей двухпроводной линии 17 возникают токи, имеющие встречное направление. Поэтому двухпроводная линия 17 не излучает электромагнитные волны. Антенный эффект коаксиального фидера 18 также отсутствует, так как коаксиальный фидер 18 проложен внутри трубчатого проводника питающей двухпроводной линии 17 через точку ее нулевого потенциала по отношению к потенциалам в точках 20, 21, возникающую в месте короткого замыкания линии 17 перемычкой 13. Двухпроводная линия закорочена с двух концов перемычками 13, вследствие чего в ней образуются сдвинутые на λ/4 стоячие волны тока и напряжения.

При выбранных длине l_ш=(0,23-0,27)λ короткозамкнутых отрезков двухпроводной линии 17 и шаге d=λ/2 линейной решетки (фиг.3) в точках 20, 21 присоединения отрезков двухпроводной линии 11 и 12 оказываются пучности стоячей волны напряжения в двухпроводной линии 17. Вследствие этого, а также отсутствия излучения двухпроводной линией 17 при симметричном питании решетки обеспечивается равноамплитудное питание излучателей решетки и улучшается равномерность распределения токов в их проводниках, что приводит к увеличению КИП излучающей апертуры решетки.

При приложении к точкам 20, 21 ЭДС источника в отрезках двухпроводной линии 11 и 12 возникает бегущая волна. Аналогично питающей двухпроводной линии 17 на проводниках отрезков двухпроводной линии 11, 12 возникают токи, имеющие встречное направление. Поэтому отрезки двухпроводной линии 11 и 12 также не излучают электромагнитные волны. Благодаря разрывам 9 петель антенных элементов 16 и выбранной длине их периметра в пределах (0.9…1)λ в проводниках петель антенных элементов 16 образуется бегущая волна, распределение токов которой в моменты времени, сдвинутые на четверть периода радиочастотного колебания резонансной частоты, показано на фиг.2. Как видно из фиг.2а, в фиксированный момент времени горизонтальные составляющие токов I_г проводников петель антенных элементов 16 будут попарно противофазными. Поэтому их излучение в дальней зоне в значительной мере взаимно компенсируется. Вертикальные составляющие токов I_в проводников петель антенных элементов 16 оказываются синфазными и их излучение в дальней зоне суммируется с образованием преимущественно вертикально поляризованного положения вектора Е. В момент времени, сдвинутый на четверть периода радиочастотного колебания резонансной частоты относительно предыдущего (фиг.2б), противофазными оказываются вертикальные составляющие токов I_в проводников петель антенных элементов 16, их излучение в дальней зоне в значительной мере взаимно компенсируется, а синфазными - горизонтальные составляющие токов I_г проводников петель антенных элементов 16, и их излучение в дальней зоне суммируется с образованием преимущественно горизонтально поляризованного положения вектора Е. В момент времени, сдвинутый еще на четверть периода радиочастотного колебания резонансной частоты, аналогично фиг.2а, распределение токов даст опять преимущественно вертикально поляризованное положение вектора E, но с обратным его направлением. А в момент времени, сдвинутый еще на четверть периода радиочастотного колебания резонансной частоты, аналогично фиг.2б, распределение токов даст опять преимущественно горизонтально поляризованное положение вектора E, но с обратным его направлением. Такое чередование направления вектора Е при сохранении его амплитуды в течение всего периода радиочастотного колебания соответствует круговой поляризации поля. Положение разрывов в петлях антенных элементов 16 относительно точек их запитки 7, 8 определяет направление вращения круговой поляризации поля. При этом коэффициент эллиптичности поляризации поля зависит как от соотношения сторон прямоугольников петель антенных элементов 16, так и от их периметра.

Вследствие симметричного возбуждения токов в петлях антенных элементов 16 и излучения синфазных составляющих токов увеличивается КИП излучающей апертуры решетки, что приводит к увеличению коэффициента направленного действия решетки. При моделировании на ЭВМ антенного элемента (фиг.1), состоящего из расположенных в одной плоскости двух петель прямоугольной формы с разрывами 16, значение его входного сопротивления на резонансной частоте, вычисленное при помощи метода моментов, составило Z_вх=420-j·200 Ом, при этом отрезок двухпроводной линии, длина которого составляет почти четверть средней длины волны, выступает в качестве четвертьволнового трансформатора сопротивлений, входное сопротивление которого при нагрузке в виде указанного антенного элемента 16 может быть рассчитано в соответствии с известным соотношением Z_вх=ρ²/Z_вых из [5], где ρ - волновое сопротивление линии четвертьволнового трансформатора, составляющее приблизительно 285 Ом для отрезков двухпроводной линии 11, 12 при выполнении его из проводников диаметром 0,004λ и расстоянием между центрами проводников, равным 0,027λ. Таким образом, входное сопротивление отрезков двухпроводной линии 11, 12, нагруженных на указанные антенные элементы, составит Z_вх=158+j·75 Ом. В точках 20, 21 питания решетки, к которым подсоединены проводники 15, 21 коаксиального фидера 18, входного сопротивление Z_вх, как следствие параллельного включения трех отрезков двухпроводной линии 11, 12, нагруженных на идентичные антенные элементы, составляет в пределах Z_вx=52.5+j·25 Ом.

Резонансная настройка крайних антенных элементов решетки выполняется перемещением перемычек 13 в пределах l_ш=(0,23-0,27)λ. При этом автоматически осуществляется резонансная настройка и согласование с коаксиальным фидером 18 всех антенных элементов, следующих в решетке с шагом d=λ/2, их синфазное возбуждение с симметрированием и выравниванием амплитуд токов.

При непосредственном подсоединении к точкам питания 20, 21 проводников 15, 14 коаксиального фидера 18 с волновым сопротивлением W_o=50 Ом, КСВн составляет ~ 1.6, что является приемлемым для антенной техники, но может быть улучшено при использовании согласующих трансформаторов. Частотная характеристика КСВн антенны на входе фидера 18 имеет слабовыраженную зависимость (см. фиг.4б) в отличие от резонансной характеристики зависимости коэффициента эллиптичности (см. фиг.6) антенны, имеющего выраженный минимум, величиной ниже 1 дБ. Как показывают данные измерения параметров макета заявленного устройства, результирующая полоса частот (по уровню КСВн=2,0 и уровню коэффициента эллиптичности, равном 3 дБ) составляет ~ 23%.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. John L. Schadler. New Experiments Comparing Linear and Circular Polarization Performance for Mobile Services - SBE Wisconsin, - 2011.

2. Circular Polarization Shown to Improve Mobile Reception Performance, - The Weekly NAB Newsletter for Television Broadcast Engineers - July 13, 2009 - issue of NAB TV TechCheck.

3. H. Morishita. Circularly polarised wire antenna with a dual rhombic loop, - IEE Proc, Microw. Antennas Propag. - June 1998 - Volume 145, Issue 3.

4. (RU 2343603 C2) Способ возбуждения и настройки синфазной антенной решетки из ромбовидных элементов и антенно-фидерное устройство для его осуществления, опубл. 20.09.2007.

5. Сазонов Д.М., Гридин A.M., Мишустин Б.А. Устройства СВЧ - М.: Высш. школа, 1981.

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к мобильной радиосвязи сотовой структуры. Технический результат - улучшение равномерности распределения токов и расширение рабочей полосы частот. Синфазная антенная решетка с круговой поляризацией содержит, по меньшей мере, три идентичных антенных элемента, каждый из которых включает расположенные в одной плоскости две петли прямоугольной формы с разрывом каждая, разрывы включены в петли антенного элемента симметрично относительно точки геометрического центра антенного элемента вблизи точек его питания, расположенных в серединах смежных сторон прямоугольных петель, причем положение включения разрывов петель антенных элементов относительно точек питания антенного элемента определяет направление вращения круговой поляризации. Длина сторон прямоугольных петель антенных элементов выбрана в пределах 0.2λ…0.24λ, где λ - средняя длина волны рабочего диапазона, к концу проводника каждой петли антенного элемента, противоположному точке его питания, подключен перпендикулярный смежным сторонам прямоугольных петель антенного элемента отрезок проводника длиной в пределах 0.01λ…0.04λ, изменением длины которого корректируется входное сопротивление антенного элемента, при этом периметр петли антенного элемента выбран в пределах (0.9…1)λ, что при наличии разрыва приведет к образованию в петле антенного элемента бегущей волны распределения тока, обеспечивающего формирование круговой поляризации. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Синфазная антенная решетка с круговой поляризацией, содержащая, по меньшей мере, три идентичных антенных элемента, каждый из которых включает расположенные в одной плоскости две петли прямоугольной формы с разрывом каждая, разрывы включены в петли антенного элемента симметрично относительно точки геометрического центра антенного элемента вблизи точек его питания, расположенных в серединах смежных сторон прямоугольных петель антенных элементов, причем положение включения разрывов петель антенных элементов относительно точек питания антенного элемента определяет направление вращения круговой поляризации, длина сторон прямоугольных петель антенных элементов выбрана в пределах 0.2λ…0.24λ, где λ - средняя длина волны рабочего диапазона, к концу проводника каждой петли антенного элемента, противоположному точке его питания, подключен перпендикулярный смежным сторонам прямоугольных петель антенного элемента отрезок проводника длиной в пределах 0.01λ…0.04λ, изменением длины которого корректируется входное сопротивление антенного элемента, при этом периметр петли антенного элемента выбран в пределах (0.9…1)λ, что при наличии разрыва приведет к образованию в петле антенного элемента бегущей волны распределения тока, обеспечивающего формирование круговой поляризации, при этом в указанных выше точках питания антенных элементов осуществляется присоединение одного конца проводников отрезков двухпроводной линии, длиной не более λ/4, ось симметрии которых перпендикулярна плоскости петель антенных элементов, при этом второй конец проводников указанных отрезков двухпроводной линии присоединяется к питающей двухпроводной линии, выполненной из двух трубок диаметром 2r, параллельных друг другу и продольной оси решетки, находящихся на расстоянии s<2r друг от друга, и короткозамкнутых между собой на концах, в середине между короткозамкнутыми концами двух трубок питающей двухпроводной линии в стенке одной из них выполнено отверстие, в полости этой трубки со стороны верхнего или нижнего конца двухпроводной линии до отверстия проложен коаксиальный фидер, наружный проводник которого подсоединен к трубке непосредственно у отверстия, а центральный проводник выведен из отверстия и подсоединен к другой трубке, причем подсоединение проводников коаксиального фидера к трубчатым проводникам двухпроводной линии выполнено в точках присоединения проводников отрезка двухпроводной линии, присоединенного к среднему антенному элементу решетки, при этом период следования точек присоединения к трубчатым проводникам питающей двухпроводной линии отрезков двухпроводной линии, присоединенных к остальным антенным элементам, равен шагу установки геометрических центров антенных элементов решетки и выбран равным λ/2, длина ℓ_ш отрезков двухпроводной линии от мест короткого замыкания трубок до точек присоединения проводников отрезков двухпроводной линии, присоединенных к крайним антенным элементам, выбрана из соотношения 0,23λ≤ℓ_ш≤0,27λ, двухпроводная линия выполнена с возможностью изменения длины ℓ_ш короткозамкнутых отрезков, введен плоский экран, расположенный параллельно плоскости петель антенных элементов, при этом плоский экран выполнен прямоугольным, его длина не меньше длины питающей двухпроводной линии, ширина экрана выбрана большей, чем λ/2, причем расстояние h_Э между плоскостью экрана и плоскостью расположения петель антенных элементов выбрано удовлетворяющим условию 0.16λ≤h_Э≤0.36λ, а расстояние h_Л между плоскостью экрана и осью питающей двухпроводной линии выбрано удовлетворяющим условию h_Л≤0.08λ.

2. Синфазная антенная решетка с круговой поляризацией по п.1, отличающаяся тем, что коаксиальный фидер проложен в полости одной из трубок двухпроводной линии до ее нижнего или верхнего конца, наружный проводник коаксиального фидера соединен соответственно с нижним или верхним концом этой трубки, центральный проводник коаксиального фидера соединен соответственно с нижним или верхним концом другой трубки двухпроводной линии на расстоянии ℓ_n≤0.08λ от точек присоединения отрезков двухпроводной линии, присоединяемых соответственно к нижнему или верхнему антенному элементу решетки, а трубки короткозамкнуты между собой со стороны введения коаксиального фидера в полость трубки на расстоянии ℓ_ш, которое аналогично упомянутому.

3. Антенно-фидерное устройство, содержащее синфазную антенную решетку по п.1, отличающееся тем, что общее количество идентичных антенных элементов решетки выбрано нечетным более трех.