Антенна

 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антеннам, в том числе к антенным решеткам для сотовых систем связи, предназначенным как для передачи, так и приема радиосигналов. Техническим результатом является обеспечение требуемой формы диаграммы направленности при уменьшении боковых лепестков. Антенна включает, по меньшей мере, один излучатель с двумя полуволновыми дипольными вибраторами на противоположных поверхностях диэлектрической подложки. Два излучателя соединены крестообразно с обеспечением приемно-передающих каналов ортогональной поляризации. Пары крестообразно соединенных излучателей установлены вдоль продольной оси антенны с образованием антенной решетки. Форма выполнения излучателей позволяет использовать при их изготовлении технологию печатных схем, что упрощает процесс производства излучателей. 16 з.п.ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антеннам, в том числе к антенным решеткам для сотовых систем связи, предназначенным как для передачи, так и приема радиосигналов.

Известны антенные решетки, содержащие линейно расположенные излучатели как одноименной поляризации, так и ортогональной поляризации, включающие дипольные элементы, и отражатель, например ЕР 1174946, H 01 Q 21/06, опубл. 23.01.2002.

Известны антенные решетки, содержащие крестообразно соединенные излучатели ортогональной поляризации, расположенные вдоль продольной оси антенны, и отражатель, например US 6313809, H 01 Q 21/26, опубл. 2001 г.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в обеспечении антенны, имеющей характеристики приема и передачи, необходимые для сотовых систем связи, в частности требуемую форму диаграммы направленности при уменьшении боковых лепестков, и являющейся экономичной в изготовлении.

Решение указанной задачи представляет собой антенну, включающую по меньшей мере один излучатель с питающим коаксиальным кабелем, имеющим внешний проводник и внутренний проводник, разъем для подключения приемно-передающей аппаратуры и отражатель, при этом излучатель содержит первый полуволновой дипольный вибратор и второй полуволновой дипольный вибратор, расстроенные один относительно другого по частоте и закрепленные на противоположных поверхностях диэлектрической подложки, первый полуволновой дипольный вибратор выполнен в виде двух плоских металлических элементов, имеющих одинаковые прямоугольные плечи, каждое из которых соединено сужающимся трапецеидальным участком со шлейфом разной для каждого элемента длины, определяемой из условия обеспечения согласования питающего кабеля, причем внешний проводник питающего кабеля подключен к тому из указанных элементов, который имеет длинный шлейф, а внутренний проводник указанного кабеля подключен к элементу с коротким шлейфом, второй полуволновой дипольный вибратор выполнен в виде двух металлических плоских элементов, образующих прямоугольные плечи, длина и ширина которых равна длине и ширине прямоугольных плеч первого полуволнового дипольного вибратора, причем прямоугольное плечо второго полуволнового дипольного вибратора, противоположное плоскому металлическому элементу с длинным шлейфом первого полуволнового дипольного вибратора, выполнено с нижним скосом, обращенным к короткой стороне другого прямоугольного плеча второго полуволнового дипольного вибратора, при этом толщина диэлектрической подложки выбрана из условия обеспечения емкостной связи между указанными вибраторами, и одноименные плечи указанных вибраторов соединены металлическими перемычками, расположенными по длине плеч, для обеспечения индуктивной связи между указанными вибраторами.

Отражатель может быть выполнен плоским, а один или более излучателей расположен перпендикулярно к нему, при этом плоский отражатель может состоять из отдельных механически и электрически соединенных между собой элементов, на каждом из которых расположен излучатель.

Кроме того, плоский отражатель имеет пластины, расположенные по его продольным краям под углом менее 180^o к указанному отражателю.

Предпочтительным материалом диэлектрической подложки является стеклотекстолит.

Антенна содержит два и более излучателей с одинаковой поляризацией, плоскости которых расположены вдоль продольной оси антенны, или по меньшей мере одну пару крестообразно соединенных излучателей, плоскости которых пересекаются под углом 90^o для обеспечения двух приемно-передающих каналов с ортогональной поляризацией ±45^o относительно продольной оси антенны.

Пары крестообразно соединенных излучателей установлены вдоль продольной оси антенны с обеспечением параллельного расположения излучателей одинаковой поляризации.

Антенна снабжена средством снижения взаимного влияния каналов излучения с ортогональной поляризацией, которое представляет собой по меньшей мере одну металлическую полоску, концевые участки которой отогнуты в противоположные стороны для прикрепления их к излучателям одинаковой поляризации двух соседних пар крестообразно соединенных излучателей, причем указанная полоска изолирована от излучателей и отражателя.

Антенна может содержать не менее трех пар крестообразно соединенных излучателей, при этом указанные полоски прикреплены к излучателям одинаковой поляризации при условии чередования излучателей, соединенных указанными полосками, от пары к паре.

Кроме того, антенна снабжена сумматором-делителем, соединенным с разъемом для подключения приемно-передающей аппаратуры и каждым из питающих коаксиальных кабелей излучателей.

Сумматор-делитель может быть выполнен в виде печатной схемы.

Длины питающих коаксиальных кабелей излучателей одинаковой поляризации равны, при этом длины питающих коаксиальных кабелей излучателей разной поляризации отличаются между собой на половину длины волны.

В случае пар крестообразно соединенных излучателей, установленных вдоль продольной оси антенны, излучатели выбранной поляризации расположены с чередованием их разворота в противоположном направлении.

Антенна размещена в корпусе, который может быть выполнен обтекаемой формы.

На фиг.1 показан общий вид излучателя; на фиг. 2 - вид излучателя со стороны первого полуволнового дипольного вибратора; на фиг. 3 - вид излучателя со стороны второго полуволнового дипольного вибратора; на фиг.4 - общий вид антенны с несколькими разнесенными вдоль ее продольной оси излучателями одинаковой поляризации; на фиг.5 - общий вид антенны с несколькими разнесенными вдоль ее продольной оси парами крестообразно соединенных излучателей с ортогональной поляризацией; на фиг.6 - пример осуществления антенны с составным отражателем; на фиг.7 - пример осуществления антенны, имеющей отражатель с наклонными пластинами; на фиг. 8 - пример осуществления антенны с чередующимися противоположно направленными излучателями одинаковой поляризации; на фиг.9 - общий вид антенны в корпусе.

Антенна содержит по меньшей мере один излучатель 1 с питающим коаксиальным кабелем 2, имеющим внешний проводник 3 и внутренний проводник 4. Излучатель 1 представляет собой диэлектрическую подложку 5, выполненную, например, из стеклотекстолита, на поверхности 6 которой находится первый полуволновой дипольный вибратор 7, а на противоположной поверхности 8 - второй полуволновой дипольный вибратор 9, расстроенный по частоте относительно вибратора 7, т. е. вибраторы 7 и 9 имеют различные центральные частоты. Первый полуволновой дипольный вибратор 7 выполнен методом травления или напыления в виде двух плоских металлических элементов 10 и 11, имеющих одинаковые прямоугольные плечи 12 и 13. Плечо 12 соединено сужающимся трапецеидальным участком 14 со шлейфом 15. Плечо 13 соединено сужающимся трапецеидальным участком 16 со шлейфом 17. Шлейфы 15 выполнен длиннее шлейфа 17. Разность длины указанных шлейфов определяется из условия обеспечения согласования питающего коаксиального кабеля 2 (см. ниже). Внешний проводник 3 питающего коаксиального кабеля 2 подключен к плоскому металлическому элементу 10, имеющему длинный шлейф 15, а внутренний проводник 4 указанного кабеля 2 подключен к плоскому металлическому элементу 11 с коротким шлейфом 17. Второй полуволновой дипольный вибратор 9 выполнен методом травления или напыления в виде двух металлических плоских элементов, образующих прямоугольные плечи 18 и 19, длина и ширина которых равна длине и ширине прямоугольных плеч 12 и 13 первого полуволнового дипольного вибратора 7. Прямоугольное плечо 18 второго полуволнового дипольного вибратора 9, противоположное прямоугольному плечу 12 первого полуволнового дипольного вибратора 7, выполнено с нижним скосом 20, обращенным к короткой стороне прямоугольного плеча 19 второго полуволнового дипольного вибратора 9. Длина плеч вибраторов 7 и 9 определяет их центральную рабочую частоту, а соотношение ширины и длины плеча определяет их волновое сопротивление. Питание первого полуволнового дипольного вибратора 7 осуществляется непосредственно от питающего коаксиального кабеля 2, а питание второго полуволнового дипольного вибратора 9 осуществляется от первого полуволнового дипольного вибратора 7 за счет емкостной связи между ними, которая обеспечивается выбором толщины диэлектрической подложки 5, значительно меньшей по сравнению с длиной волны. Кроме того, между обоими вибраторами 7 и 9 имеется индуктивная связь, создаваемая за счет соединения одноименных плеч вибраторов 7 и 9 металлическими перемычками 21, расположенными по длине упомянутых плеч, т. е. соединения плеча 12 с плечом 18 и плеча 13 с плечом 19. Действуя параллельно с емкостной связью, индуктивная связь компенсирует сдвиг фазы питания между вибраторами 7 и 9 в заданной полосе частот. Вышеуказанные шлейфы 15 и 17 первого полуволнового дипольного вибратора 7 выполняют функцию согласования питающего коаксиального кабеля 2 с системой связанных индуктивно-емкостной связью вибраторов 7 и 9 в широкой полосе частот. Выполнение излучателя 1 в виде двух расстроенных по частоте один относительно другого полуволновых дипольных вибраторов 7 и 9, связанных индуктивно-емкостной связью, позволяет расширить полосу согласования по отношению к излучателю, содержащему один вибратор, при этом, поскольку расстояние между вибраторами 7 и 9 намного меньше длины волны, наличие двух вибраторов не приводит к искажению диаграммы направленности излучателя.

В состав антенны также входит разъем 22 для подключения приемно-передающей аппаратуры (не показана) и отражатель 23.

Отражатель 23 предпочтительно является плоским, а один или более излучателей 1 расположен перпендикулярно к нему. Отражатель 23 плоской формы может быть выполнен из отдельных элементов 24, соединенных между собой механической связью (например, с помощью скоб 25) и электрической связью (например, за счет выполнения элементов 24 в виде токопроводящих пластин). При этом излучатели 1 располагают на каждом элементе 24, что обеспечивает модульную конструкцию антенны. В случае необходимости для повышения жесткости такой конструкции может быть использована рама 26. Чтобы уменьшить побочное излучение в заднюю полусферу, отражатель 23 плоской формы снабжают пластинами 28, расположенными по его продольным краям под углом менее 180^o к нему.

На фиг.4 показана антенна, содержащая два и более излучателей 1 с одинаковой поляризацией, плоскости которых расположены вдоль продольной оси антенны, которые образуют в этом случае антенную решетку.

На фиг. 5 показана антенна, содержащая по меньшей мере одну пару крестообразно соединенных излучателя 1а и 1б с пересечением их плоскостей под углом 90^o для обеспечения двух приемно-передающих каналов с ортогональной поляризацией ±45^o относительно продольной оси антенны, и которые также образуют в этом случае антенную решетку. Крестообразное соединение излучателей 1а и 1б может быть осуществлено путем выполнения в диэлектрических подложках 5 обоих излучателей пазов и ответных им перемычек между плоскими металлическими элементами обоих вибраторов 7 и 9. Пары крестообразно соединенных излучателей 1а и 1б установлены вдоль продольной оси антенны так, что излучатели 1 одноименной поляризации параллельны между собой. Для снижения взаимного влияния каналов излучения с ортогональной поляризацией вводят по меньшей мере одну металлическую полоску 29, концевые участки 30 и 31 которой отогнуты в противоположные стороны для прикрепления их к излучателям одинаковой поляризации (1а или 1б) двух соседних пар крестообразно соединенных излучателей 1, причем указанная полоска изолирована от излучателей 1а или 1б и отражателя 23. При использовании антенны, содержащей не менее трех пар крестообразно соединенных излучателей 1а и 1б (т.е. антенной решетки), полоски 29 прикрепляют к излучателям 1а или 1б одинаковой поляризации, обеспечивая чередование излучателей, соединенных полосками 29, от пары к паре. То есть в одной паре крестообразно соединенных излучателей 1а и 1б ортогональной поляризации, которая расположена между двумя другими аналогичными парами, излучатель 1а соединяют полоской 29 с таким же излучателем 1а, входящим в состав пары, находящейся по одну сторону от первой из упомянутых пар, а излучатель 1б соединяют полоской 29 с таким же излучателем 1б, входящим в состав пары, находящейся по другую сторону от упомянутой первой пары.

В случае использования нескольких излучателей 1, т.е. антенной решетки, ее снабжают сумматором-делителем 32, соединенным коаксиальным кабелем 27 с разъемом 22 для подключения приемно-передающей аппаратуры и каждым из питающих коаксиальных кабелей 2 излучателей 1. Сумматор-делитель 32 работает как в режиме приема сигнала, так и его передачи. Предпочтительно использовать сумматор-делитель в виде печатной схемы, например, такой как комбинация Т-сочленений несимметричных полосковых линий, приведенной на с. 135 Справочника по расчету и конструированию СВЧ-полосковых устройств. Под ред. В.И. Вольмана. - М.: Радио и связь, 1982.

Также для снижения взаимного влияния каналов излучения с ортогональной поляризацией длины питающих коаксиальных кабелей 2а излучателей 1а или питающих коаксиальных кабелей 2б излучателей 1б одинаковой поляризации равны, при этом длины питающих коаксиальных кабелей 2а излучателей 1а отличаются от длин питающих коаксиальных кабелей 2б излучателей 1б на половину длины волны.

Снижению взаимного влияния каналов излучения с ортогональной поляризацией способствует чередование разворота излучателей 1а или 1б в противоположном направлении. Так, на фиг.8 показана антенная решетка, в которой излучатели 1а ориентированы в одном направлении, а излучатели 1б чередуется по направлению - с одного направления на противоположное, т.е. каждый последующий излучатель 1б развернут на угол 180^o относительно предыдущего.

Для обеспечения защиты антенны от воздействия климатических факторов и механических повреждений антенну снабжают корпусом (см. фиг.9), который выполняют обтекаемой формы для снижения ветровых нагрузок.

При работе антенны на прием падающая электромагнитная волна возбуждает в излучателях 1 сигналы, которые по питающим коаксиальным кабелям 2 поступают в сумматор-делитель 32, обеспечивающий объединение этих сигналов с заданными при расчете сумматора-делителя 32 весами, и далее передаются по коаксиальному кабелю 27 на разъем 22, с которого они поступают на приемно-передающую аппаратуру (не показана).

При работе антенны на передачу сигнал от передатчика приемно-передающей аппаратуры (не показано) поступает на разъем 22 и по коаксиальному кабелю 27 передается в сумматор-делитель 32, который обеспечивает деление сигнала в заданном при расчете сумматора-делителя 32 соотношении. Полученные в результате деления сигналы по питающим коаксиальным кабелям 2 подаются на излучатели 1, каждый из которых возбуждает в пространстве электромагнитную волну.

Формула изобретения

1. Антенна, включающая, по меньшей мере, один излучатель с питающим коаксиальным кабелем, имеющим внешний проводник и внутренний проводник, разъем для подключения приемно-передающей аппаратуры и отражатель, при этом излучатель содержит первый полуволновой дипольный вибратор и второй полуволновой дипольный вибратор, расстроенные один относительно другого по частоте и закрепленные на противоположных поверхностях диэлектрической подложки, первый полуволновой дипольный вибратор выполнен в виде двух плоских металлических элементов, имеющих одинаковые прямоугольные плечи, каждое из которых соединено сужающимся трапецеидальным участком со шлейфом разной для каждого элемента длины, определяемой из условия обеспечения согласования питающего кабеля, причем внешний проводник питающего кабеля подключен к тому из указанных элементов, который имеет длинный шлейф, а внутренний проводник указанного кабеля подключен к элементу с коротким шлейфом, второй полуволновой дипольный вибратор выполнен в виде двух металлических плоских элементов, образующих прямоугольные плечи, длина и ширина которых равна длине и ширине прямоугольных плеч первого полуволнового дипольного вибратора, причем прямоугольное плечо второго полуволнового дипольного вибратора, противоположное плоскому металлическому элементу с длинным шлейфом первого полуволнового дипольного вибратора, выполнено с нижним скосом, обращенным к короткой стороне другого прямоугольного плеча второго полуволнового дипольного вибратора, при этом толщина диэлектрической подложки выбрана из условия обеспечения емкостной связи между указанными вибраторами и одноименные плечи указанных вибраторов соединены металлическими перемычками, расположенными по длине плеч, для обеспечения индуктивной связи между указанными вибраторами.

2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что отражатель выполнен плоским, а один или более излучателей расположен перпендикулярно к нему.

3. Антенна по п.2, отличающаяся тем, что плоский отражатель состоит из отдельных механически и электрически соединенных между собой элементов, на каждом из которых расположен излучатель.

4. Антенна по п.2 или 3, отличающаяся тем, что плоский отражатель имеет пластины, расположенные по его продольным краям под углом менее 180° к указанному отражателю.

5. Антенна по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что диэлектрическая подложка выполнена из стеклотекстолита.

6. Антенна по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что она содержит два и более излучателей с одинаковой поляризацией, плоскости которых расположены вдоль продольной оси антенны.

7. Антенна по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что она содержит, по меньшей мере, одну пару крестообразно соединенных излучателей, плоскости которых пересекаются под углом 90° для обеспечения двух приемно-передающих каналов с ортогональной поляризацией ±45° относительно продольной оси антенны.

8. Антенна по п.7, отличающаяся тем, что пары крестообразно соединенных излучателей установлены вдоль продольной оси антенны с обеспечением параллельного расположения излучателей одинаковой поляризации.

9. Антенна по п.8, отличающаяся тем, что она снабжена средством снижения взаимного влияния каналов излучения с ортогональной поляризацией.

10. Антенна по п.9, отличающаяся тем, что средство снижения взаимного влияния каналов излучения с ортогональной поляризацией представляет собой по меньшей мере одну металлическую полоску, концевые участки которой отогнуты в противоположные стороны для прикрепления их к излучателям одинаковой поляризации двух соседних пар крестообразно соединенных излучателей, причем указанная полоска изолирована от излучателей и отражателя.

11. Антенна по п.10, отличающаяся тем, что она содержит не менее трех пар крестообразно соединенных излучателей, при этом указанные полоски прикреплены к излучателям одинаковой поляризации при условии чередования поляризации излучателей, соединенных указанными полосками, от пары к паре.

12. Антенна по п.7 или 9, отличающаяся тем, что она снабжена сумматором-делителем, соединенным с разъемом для подключения приемно-передающей аппаратуры и каждым из питающих коаксиальных кабелей излучателей.

13. Антенна по п.12, отличающаяся тем, что сумматор-делитель выполнен в виде печатной схемы.

14. Антенна по п.12 или 13, отличающаяся тем, что длины питающих коаксиальных кабелей излучателей одинаковой поляризации равны, при этом длины питающих коаксиальных кабелей излучателей разной поляризации отличаются между собой на половину длины волны.

15. Антенна по п.14, отличающаяся тем, что в случае пар крестообразно соединенных излучателей, установленных вдоль продольной оси антенны, излучатели выбранной поляризации расположены с чередованием их разворота в противоположном направлении.

16. Антенна по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что она размещена в корпусе.

17. Антенна по п.16, отличающаяся тем, что корпус выполнен обтекаемой формы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9