АНТЕННЫЙ АДАПТЕР - ДИПОЛЬ КРУГОВОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ Российский патент 2019 года по МПК H01Q21/24 H01Q5/48 

Изобретение относится к технике всенаправленных в горизонтальной плоскости антенн и может быть использовано в сетях беспроводных радиосистем, развернутых для работы с мобильными носителями, непредсказуемо изменяющими положение, и в системах, эксплуатируемых в условиях сложной электромагнитной обстановки, в том числе для Wi-Fi гаджетов, где круговая поляризация повышает надежность и дальность работы радиолиний.

Одними из основных проблем на пути развития беспроводных радиосистем являются компенсация затухания сигнала от различных факторов и интерференция многолучевого распространения на трассе, разрешаемые конструкциями антенных устройств путем увеличения коэффициентов усиления антенн и сохранением поляризационного соответствия. Антенны с круговой поляризацией подавляют многолучевую интерференцию, обеспечивают работу с любой поляризацией, существенно увеличивают дальность работы беспроводных систем и улучшают качество сигналов.

Для реализации круговой поляризации и повышения коэффициентов усиления, всенаправленных в горизонтальной плоскости антенных устройств, с круговой поляризацией есть разработанные комбинированные конструкции антенн.

Известна наиболее широко используемая антенна с круговой поляризацией cloverleaf antenna circularly polarized (антенна «клевер» круговой поляризации)

- http://www.antenna-theory.com/antennas/cloverleaf.php. содержащая объемную конструкцию с синфазным питанием 4 наклонных контурных плеч с дугами, принимающими участие в излучении волн круговой поляризации, каждая противоположная пара которых, разнесена на расстояние от центра на 0,25λ_ср. в горизонтальном направлении с перекрещиванием.

Недостатком известной антенны является низкий коэффициент усиления, в 2 раза меньший, чем у полуволнового диполя.

Известна комбинированная «квазикарусельная» антенна круговой поляризации с повышенным коэффициентом усиления (патент РФ №2469448 H01Q 19/00 от 10.12.2012), содержащая четверку размещенных по периметру вибраторов с квадратно-рамочными элементами с центральным питанием, выгнутых относительно центральной точки окружности с образованием равноудаленного от центра квадратно-рамочного полотна. Вовнутрь структуры квадратно-рамочных вибраторов введен цилиндрический отражательно-рассеивающий проводящий элемент, с общей для антенны точкой симметрии и радиусом, меньшим радиуса окружности квадратно-рамочного полотна на 0,25λ_cр. и высотой, большей 0,5λ_макс.. Каждый излучающий вибратор выполнен симметричным из двух квадратно-рамочных элементов с разомкнутыми проводниками в боковых углах и замкнутыми проводниками в верхних и нижних углах. Разомкнутые проводники в концах вибраторов соединены двухпроводными линиями радиального направления с отражательно-рассеивающим проводящим элементом с образованием короткозамкнутых шлейфов, а в смежных углах в центре вибраторов, в точках разомкнутых проводников, с подключением крест-накрест подсоединены два фидера питания.

Недостатками известной антенны являются громоздкость конструкции, высокая материалоемкость, сложность согласования и питания антенны.

Известны схемы питания разрезных трубчатых симметричных вибраторов с гальванической развязкой, при использовании разомкнутых шлейфов, по 0,25λ_ср., расположенных внутри вибраторов (Чернышов В.П. Антенно-фидерные устройства радиосвязи и радиовещания. - М.; Связь, 1978, стр. 128, рис. 6.9. а.), обеспечивающих работу диполей с линейной поляризацией. В то же время наиболее близким техническим решением является Wi-Fi антенный адаптер с трансформаторной связью (патент РФ №148376 H01Q 3/00 от 10.12.2014), содержащий систему вертикальных вибраторов, установленную на активный вибратор точки доступа с помощью диэлектрической насадки, от которой радиально отходят вертикальные диэлектрические плоскости, расположенными под горизонтальным углом 90° друг к другу, а система вертикальных вибраторов выполнена в виде горизонтального двойного треугольного замкнутого зигзагообразного антенного полотна, перегнутого на 90° и расположенного на отходящих несущих плоскостях. Причем вертикальные проводники оснований треугольников антенного полотна имеют протяженность 0,4λ_ср., а проводники боковых сторон треугольников, расположенные под углами к вертикальным проводникам, имеют протяженность 0,3λ_ср., при этом в разрыв сходящейся пары проводников у точки вертикальной линии, идущих с противоположных плоскостей сверху и снизу, включен виток связи высокочастотного трансформатора, опоясывающий в горизонтальной плоскости по поверхности диэлектрической трубки активный вибратор, а разрыв другой сходящейся пары закорочен.

Недостатком прототипа с гальванической развязкой вибраторов с помощью высокочастотного трансформатора является возможность использования только линейной поляризации и повышенный коэффициент усиления только в предпочтительной направленности.

Задачей настоящего изобретения является устранение недостатков аналогов и прототипа, создание всенаправленного в горизонтальной плоскости антенного устройства с круговой поляризацией.

Технический результат заключается в реализации круговой поляризации на базе использования классического диполя с линейной поляризацией, при трансформации в круговую поляризацию и повышении коэффициента усиления всенаправленных, с минимизированными размерами, антенных устройств, с круговой поляризацией.

Техническое решение обеспечивается тем, что антенное устройство конструктивно реализовано в виде насадки из проводящей трубки, разделенной зазором посередине, с образованием разрезного симметричного линейного вибратора, устанавливаемого на активный линейный вибратор. Узел питания разрезного симметричного линейного вибратора является общим для встречно расположенных антенных устройств типа «клевер», которые размещены в районе разреза симметричного линейного вибратора и установлены на его вертикальные плечи с разворотом на 45° относительно друг друга вокруг общей оси.

Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что проводящая трубка, протяженностью 0,5λ_ср., разделенная зазором посередине, с образованием разрезного симметричного линейного вибратора, установленная на активный вибратор и гальванически развязанная от линии питания, возбуждаясь, обеспечивает питанием элементы антенного устройства, создающие круговую поляризацию излучаемых радиоволн.

Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что антенные устройства типа «клевер», установленные на вертикальные плечи разрезного симметричного линейного вибратора непосредственно размещены в районе разреза, то есть узла питания симметричного линейного вибратора.

Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что антенные устройства типа «клевер», установленные на вертикальные плечи разрезного симметричного линейного вибратора встречно расположены.

Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что антенные устройства типа «клевер», установлены на вертикальные плечи разрезного симметричного линейного вибратора с разворотом на 45° относительно друг друга вокруг общей оси.

Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что узел питания разрезного симметричного линейного вибратора является общим для антенных устройства типа «клевер», при противофазной коммутации.

Сочетание отличительных признаков и свойств как в заявленном устройстве из технической, научной литературы и патентной документации не выявлено, поэтому оно соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.

Промышленная применимость заявленного технического решения усматривается в сравнительной простоте изготовления, тиражирования и эксплуатации, в высоких электрических показателях, как в виде антенного адаптера - «диполя» круговой поляризации, так и в виде доработок фрагментами сложных антенных устройств, с возможностью использования на промышленной основе и конкурентоспособном уровне.

На фиг. 1 эскизно представлен общий вид антенного адаптера -«диполя» круговой поляризации, на фиг. 2 - диаграммы направленности в горизонтальной плоскости и в вертикальной плоскости с указанием основных параметров при использовании адаптера, на фиг. 3 - диаграммы направленности в горизонтальной плоскости и в вертикальной плоскости раздельно по поляризациям (сплошная - вертикальная, пунктирная -горизонтальная), на фиг. 4 - версия антенного адаптера - «диполя» круговой поляризации, в котором вертикальные плечи разрезного линейного вибратора выполнены в скелетном исполнении в виде продольных проводников.

Антенный адаптер - «диполь» круговой поляризации, устанавливается на штатную антенну «а» с активным диполем (фиг. 1), в виде насадки, выполненной из проводящей трубки 1 (по первому пункту формулы на изобретение), протяженностью 0,5λ_ср., разделенной зазором 2 посередине, с образованием разрезного симметричного линейного вибратора, вертикальных диэлектрических плоскостей 3 проходящих через общую ось «о» - «o'», расположенных под горизонтальным углом 90° друг к другу, и дополнительных диэлектрических вертикальных плоскостей 4, проходящих через общую ось «о» - «о'». Дополнительные диэлектрические вертикальные плоскости 4 расположены с разворотом вокруг оси «о» - «о'» на угол 45° относительно диэлектрических вертикальных плоскостей 3 по перпендикулярной к оси плоскости 7, проходящей через зазор 2. Система электрических вибраторов выполнена в виде вертикальных плеч разрезного линейного вибратора 5, 6 и контурных наклонных плеч 8, 9, Контурные наклонные плечи 8, 9, отходящие от зазора 2 разрезного линейного вибратора 1, образованы перпендикулярными к оси проводниками 10 на уровне зазора 2, протяженностью 0,25λ_ср., расположенными на вертикальных плоскостях 3, отходящими от начала верхнего вертикального плеча 5 и перпендикулярными к оси проводниками 10 на уровне зазора, протяженностью 0,25λ_ср., расположенными на дополнительных вертикальных плоскостях 4, отходящих от начала нижнего вертикального плеча бис ним соединенными и отходящими проводниками 11 протяженностью 0,25λ_ср., расположенными на вертикальных плоскостях 3 верхней полусферы «с» и на дополнительных вертикальных плоскостях 4 нижней полусферы «b» под углом 45° к оси «о» - «o'», с началом от уровня зазора 2, соединенными каждый с началами вертикальных смежных с ними плеч 5, 6, причем внешние концы проводников наклонных плеч 11, в каждой полусфере «b», «с», для образования контуров плеч, попарно соединены односторонне, в зависимости от стороны вращения вектора поляризации, восходящими дугообразными проводниками 12 с образованием дуговой пространственной структуры, с диаметром, равным 0,5λ_ср.. Антенный адаптер - «диполь» состоит из систем идентичных проводников 10, 11 и 12, образующих контурные наклонные плечи 8, расположенные в верхней полусфере «b» и контурные наклонные плечи 9, расположенные в нижней полусфере «с», в комплексе реализующие встречно расположенные антенные устройства типа «клевер», со сдвигом на 45° вокруг общей оси «о» - «о'», с общим узлом питания в разрезе 2 разрезного симметричного линейного вибратора, выполненного из проводящей трубки 1.

Антенный адаптер - «диполь» круговой поляризации, устанавливается на штатную антенну «а» с активным диполем, в виде насадки (фиг. 4, по второму и 3 пунктам формулы изобретения), когда вертикальные плечи 5 и 6 разрезного линейного вибратора 1 выполнены в скелетном исполнении в виде продольных проводников по количеству соединяемых отходящих перпендикулярных к оси «о» - «o'», проводников 10 и проводников 11, расположенных под углом 45° к оси «о» - «о'», с замыканием, образующих вертикальные плечи проводников между собой в окончаниях плеч 5 и 6.

Антенный адаптер - «диполь» круговой поляризации работает следующим образом. Антенный адаптер - «диполь» (фиг. 1) устанавливается на штатную ненаправленную антенну «а», точнее на активный элемент, состоящий из автономного ненаправленного вертикального линейного полуволнового вибратора точки доступа, реализуя схему питания разрезных трубчатых симметричных вибраторов с гальванической развязкой, при использовании разомкнутых шлейфов по 0,25λ_cр., расположенных внутри разрезного симметричного линейного вибратора выполненного из проводящей трубки 1, протяженностью 0,5λ_ср., разделенной зазором 2 посередине. Система электрических вибраторов, выполненная в виде вертикальных плеч разрезного линейного вибратора 5 и 6 обеспечивает питанием участвующие в излучении волн круговой поляризации контурные наклонные плечи 8 и 9. Контурные наклонные плечи 8, 9, отходящие от зазора 2 разрезного линейного вибратора 1, образованы перпендикулярными к оси проводниками 10 на уровне зазора 2, протяженностью 0,25λ_ср., расположенными на вертикальных плоскостях 3, отходящими от начала верхнего вертикального плеча 5 и перпендикулярными к оси проводниками 10 на уровне зазора, протяженностью 0,25λ_ср., расположенными на дополнительных вертикальных плоскостях 4, отходящих от начала нижнего вертикального плеча бис ним соединенными и отходящими проводниками 11 протяженностью 0,25λ_ср., расположенными на вертикальных плоскостях 3 нижней полусферы «с» и на дополнительных вертикальных плоскостях 4 верхней полусферы «b» под углом 45° к оси «о» - «o'», с началом от уровня зазора 2, соединенными каждый с началами вертикальных смежных с ними плеч 5, 6, причем внешние концы проводников наклонных плеч 11, в каждой полусфере «b», «с», для образования контуров плеч, попарно соединены односторонне восходящими дугообразными проводниками 12 с образованием дуговой пространственной структуры, с диаметром, равным 0,5λ_ср.. Комбинация проводников 10, 11 и 12, образующих контурные наклонные плечи 8, расположенные в верхней полусфере «b» и контурные наклонные плечи 9, расположенные в нижней полусфере «с», в комплексе реализуют встречно расположенные и встречно, то есть противофазно, подключенные в одной точке антенные устройства типа «клевер». Работа широко используемых одиночных антенных устройств типа «клевер» общеизвестна. В свою очередь, соединенные на уровне зазора 2 проводники 11, расположенные под углом 45° к оси «о» - «o'», формирующие контурные наклонные плечи, обеспечивают разнос по вертикали, односторонне восходящих дугообразных проводников 12 плеч 8 и 9, на расстояние меньше 0,25λ_ср.. Противофазное включение с максимально возможным поворотом вокруг оси «о» - «o'» на 45°, при встречном расположении, антенных устройств типа «клевер», обеспечивают их квазисинфазную работу. Таким образом, разнесенные по вертикали на расстояние, близкое к 0,25λ_ср., активные вибраторы обеспечивают работу синфазной антенной решетки с повышенным коэффициентом усиления. Данные доводы подтверждают результаты компьютерного моделирования (фиг. 2). Коэффициент усиления в режиме круговой поляризации соизмерим с коэффициентом усиления полуволнового вибратора, в 2 раза больший, чем у широко используемой антенны круговой поляризации «клевер». Доводы о круговой поляризации подтверждают результаты компьютерного моделирования, при анализе уровней сигналов по вертикальной и горизонтальной составляющим, что в свою очередь, показывает на ее допустимую эллиптичность (фиг. 3).

Дополнительным техническим результатом при реализации заявляемого технического решения явилось увеличение входного импеданса, что позволяет ее использовать при питании штатной ненаправленной антенны, согласованной для подключения коаксиального кабеля с волновым сопротивлением как 75, так и 50 Ом.

Изобретение относится к технике всенаправленных в горизонтальной плоскости антенн и может быть использовано в сетях беспроводных радиосистем, развернутых для работы с мобильными носителями, непредсказуемо изменяющими положение, используемыми в сильно пересеченных препятствиями средах и в системах, эксплуатируемых в условиях сложной электромагнитной обстановки, в том числе для Wi-Fi гаджетов, где круговая поляризация повышает надежность и дальность работы радиолиний. Сущность заявленного решения заключается в том, что антенный адаптер - диполь конструктивно реализован из проводящей трубки, разделенной зазором посередине, с образованием разрезного симметричного линейного вибратора, в виде насадки на штатные антенны, устанавливаемой на активный линейный вибратор. В районе разреза симметричного линейного вибратора встречно расположены антенные устройства типа «клевер», размещенные и установленные на вертикальные плечи линейного вибратора с разворотом на 45° относительно друг друга вокруг общей оси. Технический результат при реализации заявленного решения является реализация круговой поляризации на базе использования классических диполей с линейной поляризацией, при трансформации в круговую поляризацию и повышении коэффициента усиления всенаправленных, с минимизированными размерами, антенных устройств, с круговой поляризацией. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Антенный адаптер - диполь круговой поляризации, содержащий систему вибраторов, установленную на активный вибратор с помощью насадки, от которой радиально отходят вертикальные диэлектрические плоскости, расположенные под горизонтальным углом 90° друг к другу, на которых размещены вибраторы, с возможностью перемещения насадки вдоль оси активного вибратора, отличающийся тем, что насадка выполнена в виде проводящей трубки, протяженностью 0,5λ_ср., разделенной зазором посередине, с образованием разрезного симметричного линейного вибратора, вертикальных диэлектрических плоскостей, проходящих через общую ось, и дополнительных диэлектрических вертикальных плоскостей, проходящих через общую ось, с разворотом вокруг оси на угол 45° относительно диэлектрических вертикальных плоскостей по перпендикулярной к оси плоскости, проходящей через зазор, а система вибраторов выполнена в виде вертикальных плеч разрезного линейного вибратора и контурных наклонных плеч, отходящих от зазора разрезного линейного вибратора, образованных перпендикулярными к оси проводниками на уровне зазора, протяженностью 0,25λ_ср., расположенными на вертикальных плоскостях, отходящих от начала нижнего вертикального плеча и с ним соединенными, перпендикулярными к оси проводниками на уровне зазора, протяженностью 0,25λ_ср., расположенными на дополнительных вертикальных плоскостях, отходящих от начала верхнего вертикального плеча и с ним соединенными и отходящими проводниками протяженностью 0,25λ_ср., расположенными на вертикальных плоскостях верхней полусферы и на дополнительных вертикальных плоскостях в нижней полусферы под углом 45° к оси, с началом от уровня зазора, соединенными каждый с началом вертикальных смежных с ними плеч, причем внешние концы проводников наклонных плеч, в каждой полусфере, для образования контуров плеч, попарно соединены односторонне восходящими дугообразными проводниками с образованием дуговой пространственной структуры, с диаметром, равным 0,5λ_ср..

2. Антенный адаптер - диполь по п. 1, отличающийся тем, что вертикальные плечи разрезного линейного вибратора выполнены в скелетном исполнении в виде продольных проводников по количеству соединяемых отходящих перпендикулярных к оси проводников и проводников, расположенных под углом 45° к оси, с замыканием, образующих вертикальные плечи проводников между собой в окончаниях плеч.

3. Антенный адаптер - диполь по п. 1, отличающийся тем, что контурные наклонные плечи, отходящие от зазора разрезного линейного вибратора, выполнены в скелетном исполнении в виде несущих проводников с механическим креплением в местах электрических соединений к вертикальным плечам разрезного линейного вибратора.