ВСЕНАПРАВЛЕННАЯ В ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ПЛОСКОСТИ СВЧ АНТЕННА С КОНИЧЕСКИМ ОТРАЖАТЕЛЕМ Российский патент 2022 года по МПК H01Q9/44 

Изобретение относится к области радиотехники и, в частности, к антенной технике и может быть использовано в качестве антенн для систем беспроводного радиодоступа.

Наибольший интерес для систем беспроводного доступа представляют антенны, позволяющие реализовать наибольшую зону охвата. Такие антенны должны иметь круговую или секторную ДН в горизонтальной и остронаправленную - в вертикальной плоскостях, иметь высокий коэффициент усиления и обеспечивать многодиапазонный режим работы. Конструктивно такие антенны могут выполняться как в виде стандартных вертикальных вибраторов, так и в виде антенн на основе конического излучателя или системы зеркал, либо в виде гибридных диэлектрических линзовых антенн с электрическим сканированием в полном телесном угле с управляемой диаграммой направленности [1].

Известна всенаправленная в горизонтальной плоскости биконическая СВЧ антенна с корректирующей линзой [2], состоящая из двух соосных металлических конусов, вершины которых расположены в общей точке питания, корректирующей кольцевой диэлектрической линзы, коаксиального или волноводного перехода, радиопрозрачного укрытия и устройства возбуждения. Возбуждение рупора может осуществляться штырем или рамкой. Недостатком подобных антенн является сложность их производства и высокая стоимость вследствие необходимости установки в их раскрыве кольцевой диэлектрической линзы.

Известна более технологичная двухзеркальная СВЧ антенна [3]. Она заключена в корпус и содержит облучатель, гиперболическое вспомогательное зеркало и основное параболическое зеркало. Один из фокусов гиперболоида вращения совпадает с фазовым центром первичного облучателя, а второй фокус совмещен с фокусом параболической кривой. Сферическая волна, излучаемая облучателем, отражается контррефлектором, попадает на параболическую поверхность и отражается в горизонтальном направлении с равномерным распределением фазы. Таким образом, в азимутальной плоскости излучение антенны является всенаправленным, а степень сжатия ДН в вертикальной плоскости определяется размером раскрыва параболического зеркала. Недостатком этой конструкции является ее громоздкость, связанная с большими вертикальными размерами антенны. При этом полезная, с точки зрения формирования ДН, часть вертикального размера антенны будет составлять менее половины высоты конструкции.

Известна также конструкция всенаправленной в горизонтальной плоскости СВЧ антенны с коническим отражателем [4]. Данная антенна содержит параболическое зеркало, рупорный облучатель параболического зеркала, СВЧ тракт, питающий облучатель параболического зеркала, и конический отражатель. Размер раскрыва зеркала и основания конуса совпадают. Выбором угла раскрыва конуса можно регулировать угол наклона максимума ДН в вертикальной плоскости. Электромагнитное поле облучателя распространяется в направлении параболического зеркала, от которого оно отражается, поступая на внешнюю поверхность усеченного конуса отражателя, которая переизлучает электромагнитное поле в горизонтальном направлении. Для некоторого расширения рабочей полосы частот антенны облучатель параболического зеркала может быть также выполнен в виде двухчастотного рупора с СВЧ трактом на основе коконообразного эллиптического волновода. Описанная антенна наиболее близка к заявляемой по уровню техники и принята за прототип.

Недостатками прототипа являются частотная узкополосность антенны, сложность изготовления, а также дороговизна облучателя и питающего его СВЧ тракта.

Для устранения указанных недостатков в известной всенаправленной в горизонтальной плоскости СВЧ антенне с коническим отражателем, имеющей параболическое зеркало, конический отражатель, размер основания которого совпадает с размером раскрыва параболического зеркала предлагается использовать облучатель параболического зеркала, выполненный в виде кольцевой щелевой антенны, являющейся разновидностью диско-конической антенны с эндовибратором, заполненным диэлектрическим материалом с закрытой пористостью. В качестве такого материала могут использоваться пенодиэлектрики.

Сопоставительный анализ предлагаемой конструкции с антенной-прототипом показывает, что заявляемое устройство - всенаправленная в горизонтальной плоскости СВЧ антенна с коническим отражателем отличается наличием нового блока, представляющего собой кольцевую щелевую антенну, являющуюся разновидностью диско-конической антенны с эндовибратором, заполненным диэлектрическим материалом с закрытой пористостью и его связями с остальными элементами устройства. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения новизна.

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что всенаправленные в горизонтальной плоскости СВЧ антенны с коническим отражателем и рупорным облучателем параболического зеркала известны. Однако при введении в указанной связи с остальными элементами антенны в заявленное устройство облучателя, выполненного в виде кольцевой щелевой антенны, являющейся разновидностью диско-конической антенны с эндовибратором, заполненным диэлектрическим материалом с закрытой пористостью, антенна проявляет новые свойства - увеличивается диапазон рабочих частот антенны, уменьшается стоимость ее элементов, а также упрощается конструкция, и как следствие технология ее производства. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию изобретения существенные отличия.

Поскольку применение параболического зеркала и конического отражателя для построения антенн хорошо известно [3, 4], и известно также применение диско - конических антенных конструкций [5, 6], то это позволяет сделать вывод о возможности технической реализации заявляемого решения, а предлагаемая конструкция антенны соответствует критерию изобретения промышленная применимость.

Вариант исполнения принятой за прототип всенаправленной в горизонтальной плоскости СВЧ антенны с коническим отражателем и облучателем в виде двухчастотного рупора, питаемого коконообразным эллиптическим волноводом представлен на фиг. 1.

На фиг. 2 изображена конструкция заявляемой антенны, представляющей собой всенаправленную в горизонтальной плоскости СВЧ антенну с коническим отражателем и облучателем в виде кольцевой щелевой антенны, являющейся разновидностью диско-конической антенны с эндовибратором, заполненным диэлектрическим материалом с закрытой пористостью.

Всенаправленная в горизонтальной плоскости СВЧ антенна-прототип, (фиг. 1) содержит облучатель параболического зеркала 1, параболическое зеркало 2, питающий облучатель параболического зеркала СВЧ тракт 3 и конический отражатель 4.

Заявляемая всенаправленная в горизонтальной плоскости СВЧ антенна (фиг. 2) содержит облучатель параболического зеркала 1, параболическое зеркало 2, питающий облучатель параболического зеркала СВЧ тракт 3, конический отражатель 4, причем облучатель параболического зеркала состоит из диска 5, цилиндрической части эндовибратора 6, конической части эндовибратора 7 и излучающей щели 8.

Заявляемая антенна работает следующим образом. Электромагнитная энергия от передающего устройства по коаксиальному фидеру 3 СВЧ тракта подводится к диско-коническому излучателю кольцевой щелевой антенны, состоящему из диска 5, подсоединенному к экрану фидера 3 и конуса эндовибратора 7, подсоединенного к центральной жиле фидера 3. При возбуждении эндовибратора, состоящего из диска 5, конической части 7 и цилиндрической части 6, электромагнитное поле эндовибратора создает излучение кольцевой щели 8 в сторону параболического зеркала 2 от которого оно отражается, поступая на внешнюю поверхность усеченного конуса отражателя 4, которая переизлучает электромагнитное поле в горизонтальном направлении.

В связи с использованием в качестве облучателя кольцевой щелевой антенны, вместо одночастотного либо двухчастотного рупора, диапазон частотного перекрытия заявляемой антенны возможно довести вплоть до двухкратного.

Источники информации

[1] Патент РФ №2297698 С2, МПК H01Q 15/08. Тороидальная линзовая антенна с электрическим сканированием в полном телесном угле / Ю.В. Медведев, А.И. Скородумов, Ю.Я. Харланов (Россия). - Приор. 11.07.2005; Опубл. 20.04.2007.

[2] Колобов В.А., Полухин Г.А. Электродинамические характеристики биконической антенны с корректирующей линзой // Радиотехника и электроника. - 1996. - Т. 41. - №9. - С. 1067-1070.

[3] Гостев В.И., Гряник М.В., Худолий Д.А. Многофункциональные зеркальные антенны. - Киев: Радиоаматор, 1999. - 317 с.

[4] Михайлов В.Ф., Нарытник Т.Н., Брагин И.В., Мошкин В.Н. Микроволновые технологии в телекоммуникационных системах: Учебное пособие.- СПб.: СПбГУАП, 2003. - С. 216.

[5] Патент РФ №2189675, МПК H01Q 9/28. Кольцевая щелевая антенна / А.Д. Артамошин, П.З. Горбаченко, В.Н. Кира, И.Б. Лебедев, В.М. Медников, В.И.Николаев, В.Б. Фидельман (Россия). - Приор. 19.12.2000; Опубл. 20.09.2002.

[6] Патент РФ №2189677, МПК H01Q 13/10. Кольцевая щелевая антенна / А.Д. Артамошин, П.З. Горбаченко, С.И. Колосов, И.Б. Лебедев, Б.М. Медников, В.И. Николаев, В.Е. Фидельман (Россия). - Приор. 19.12.2000; Опубл. 20.09.2002.

Использование: изобретение относится к области радиотехники и, в частности, к антенной технике и может быть использовано в качестве антенн для систем беспроводного радиодоступа. Сущность: всенаправленная в горизонтальной плоскости СВЧ антенна содержит параболическое зеркало, облучатель параболического зеркала, СВЧ тракт, питающий облучатель параболического зеркала и конический отражатель, размер основания которого совпадает с размером раскрыва параболического зеркала. Новым в предлагаемой конструкции антенны является то, что облучатель параболического зеркала запитывается по коаксиальному кабелю и выполнен в виде кольцевой щелевой антенны, являющейся разновидностью диско-конической антенны с эндовибратором, заполненным диэлектрическим материалом с закрытой пористостью. Использование в качестве облучателя кольцевой щелевой антенны с коаксиальным кабелем позволяет довести диапазон частотного перекрытия антенны вплоть до двукратного, а также значительно упрощает конструкцию антенны и позволяет снизить стоимость ее производства. Технический результат: увеличение широкополосности всенаправленной в горизонтальной плоскости СВЧ антенны, упрощение конструкции ее облучателя и СВЧ тракта. 3 ил.

Всенаправленная в горизонтальной плоскости СВЧ антенна с коническим отражателем, содержащая параболическое зеркало, облучатель параболического зеркала, СВЧ тракт, питающий облучатель параболического зеркала, конический отражатель, размер основания которого совпадает с размером раскрыва параболического зеркала, отличающаяся тем, что облучатель параболического зеркала выполнен в виде кольцевой щелевой антенны, являющейся разновидностью диско-конической антенны с эндовибратором, заполненным пенодиэлектриком с закрытой пористостью, при этом облучатель параболического зеркала содержит диск, цилиндрическую часть эндовибратора, коническую часть эндовибратора и излучающую щель.