Панельная антенна
Изобретение относится к области радиотехники, а именно к панельным антеннам, в том числе к антенным решеткам для сотовых систем связи, предназначенным как для передачи, так и для приема радиосигналов. Технический результат заключается в создании панельной антенны с двойной поляризацией ±45 градусов, с требуемой формой диаграммы направленности, высоким уровнем развязки между каналами и низким значением КСВН в диапазоне частот. Антенна включает в себя ряд излучателей, отражатель, схему питания с двумя высокочастотными разъемами и с сумматорами-делителями и радиопрозрачное укрытие. Каждая пара излучателей выполнена в виде платы с двумя ортогонально расположенными печатными излучателями в форме «мальтийского креста». Половинки «мальтийского креста» соединены друг с другом, имеют нулевое сопротивление по постоянному току. Каждая плата прикреплена к отражателю двумя столбиками и двумя внешними оплетками коаксиального кабеля. Два излучателя соединены крестообразно перемычками с питающими кабелями. Пары крестообразно соединенных излучателей установлены вдоль продольной оси антенны с образованием антенной решетки. В антенне применены технические решения, увеличивающие величину развязки между каналами. Форма выполнения излучателей позволяет использовать при их изготовлении технологию печатных схем, что упрощает процесс серийного производства панельных антенн. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к области радиотехники, а именно к панельным антеннам, в том числе к панельным антенным решеткам для сотовых систем связи, предназначенным как для передачи, так и приема радиосигналов.
Известны панельные антенны, содержащие линейно расположенные излучатели в виде металлической рамки со щелью одноименной (линейной) поляризации и отражатель, например RU 2273079, H01Q 21/08, опубликовано 27.03.2006 г.
Известны также панельные антенны, содержащие крестообразно соединенные излучатели ортогональной поляризации, расположенные вдоль продольной оси антенны, и отражатель, например RU 2225663, H01Q 1/38, опубликовано 10.03.2004 г.
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в обеспечении антенны, работающей на двух ортогональных поляризациях, имеющей характеристики приема и передачи, необходимые для сотовых систем связи, в частности требуемую форму диаграммы направленности, требуемый уровень развязки между каналами, при уменьшении КСВН каждого из двух входов антенн, и являющейся экономичной в изготовлении.
Решение указанной задачи представляет собой антенну, включающую, по меньшей мере, одну плату (либо несколько плат) из диэлектрического материала с двумя ортогонально расположенными печатными излучателями, составляющими по форме «мальтийский крест» (термин "мальтийский крест" известен также под названием "восьмиконечный крест", так как образован соединением четырех копий. Источник: Фоли Дж. Энциклопедия знаков и символов. М., 1997). Электрически два излучателя представляют собой единый элемент (по постоянному току оба излучателя замкнуты друг на друга). Это обеспечивает нулевое сопротивление по постоянному току в каждом из каналов. Элементы крепления платы излучателей (столбики и внешние металлические оплетки кабелей) одновременно являются развязывающими устройствами двух ортогональных каналов, что существенно упрощает конструкцию панельной антенны.
Питание двух крестообразно расположенных излучателей производится двумя питающими коаксиальными кабелями через две перемычки из металла, расположенными параллельно плоскости платы и перпендикулярно друг другу.
Крепление платы на отражателе осуществляется на двух столбиках из металла и двух внешних металлических оплетках высокочастотного кабеля. Столбики из металла и две внешние металлические оплетки кабеля электрически соединяются с отражателем и печатными излучателями и одновременно являются развязывающими элементами двух каналов (+45° и -45°). В случае использования нескольких плат излучателей перемычки устанавливаются с чередованием их разворота на 180° (например: для канала первой платы (+45°) изгиб сверху, для канала второй платы (+45°) изгиб снизу и т.д.). Конструкции обоих перемычек одинаковы. Чередование разворота перемычек позволяет снизить КСВН и обеспечить одинаковые зависимости КСВН в каждом из каналов.
Антенна содержит два и более излучателя 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°. Это позволяет обеспечить функционирование двух приемно-передающих каналов с ортогональной поляризацией ±45° относительно продольной оси антенны.
Платы крестообразно соединенных излучателей установлены вдоль продольной оси антенны с обеспечением параллельного расположения излучателей одинаковой поляризации (+45° или -45°) относительно продольной оси панельной антенны.
Предпочтительным материалом диэлектрической подложки платы излучателей является стеклотекстолит. Для удобства крепления перемычек в центре платы имеется отверстие. Отражатель представляет собой слой фольги из металла (преимущественно из меди) на пластине из стеклотекстолита. Отражатель также может быть выполнен в виде пластины из металла.
Возможен вариант совмещения отражателя и корпуса антенны. При этом схема питания располагается непосредственно на таком отражателе (вариант конструкции антенны без подвала).
Дополнительными элементами развязки каналов могут являться проволоки, располагающиеся симметрично между каждой парой плат излучателей. Один конец проволоки закреплен на печатной плате излучателей, другой - на отражателе, угол наклона проволоки к плоскости рефлектора от 30 до 60 градусов. Все проволоки параллельны друг другу. Преимущественный материал проволоки - медь.
Антенна снабжена двумя одинаковыми схемами питания для подключения приемно-передающей аппаратуры. Каждая схема питания включает в себя сумматор-делитель и высокочастотный разъем. Сумматор-делитель может быть выполнен либо на коаксиальных отрезках кабелей с различным волновым сопротивлением, либо в виде печатной схемы.
Антенна размещена в корпусе из металла (преимущественно из алюминиевого сплава), который может быть выполнен обтекаемой формы. Схема питания располагается в подвале корпуса, с обратной стороны отражателя. Для защиты от внешних воздействий панельная антенна снабжена радиопрозрачным укрытием хорошей аэродинамической формы, изготовленным из стеклопластика.
На фиг.1 показан общий вид платы излучателей со стороны отражателя в виде «мальтийского креста» (топология излучателей);
на фиг.2 - вид платы излучателей со стороны радиопрозрачного укрытия с двумя питающими перемычками;
на фиг.3 показана конструкция двух перемычек на плате излучателей;
на фиг.4 показана конструктивная схема питания (сечение по диагонали платы излучателей) излучателя - половинки «мальтийского креста»;
на фиг.5 показан пример панельной антенны с шестью платами излучателей без радиопрозрачного укрытия;
на фиг.6 показан общий вид антенны в корпусе с радиопрозрачным укрытием.
Антенна содержит, по меньшей мере, одну плату 1 с двумя излучателями в виде половинок «мальтийского креста» 2. Плата с излучателями представляет собой диэлектрическую подложку, выполненную, например, из стеклотекстолита, на поверхности которой находятся два излучателя, выполненные из металла, например из меди, в форме «мальтийского креста».
Длина средней линии излучателя (половинки «мальтийского креста») выбирается равной 2λср., где λср. - средняя длина волны панельной антенны. Форма и размеры элементов излучателей («мальтийского креста») и диэлектрических параметров материала платы излучателей выбираются из требований необходимого согласования (КСВН) в диапазоне частот и из требований обеспечения необходимых диаграмм направленности. Оба излучателя (половинки «мальтийского креста») электрически соединены. Это позволяет обеспечить нулевое сопротивление по постоянному току на входах панельной антенны.
Излучатели находятся со стороны отражателя. Отражатель 3 представляет собой слой фольги из металла (преимущественно из меди) на пластине из стеклотекстолита 4. Отражатель также может быть выполнен в виде цельной пластины из металла.
В качестве отражателя в конструкции антенны может использоваться корпус антенны 13. В таком случае антенна не будет иметь подвала, и элементы схемы питания будут размещаться непосредственно на отражателе.
Крепление платы излучателей 1 и запитка каждого из излучателей электромагнитной энергией осуществляется с помощью коаксиального кабеля 5. Плата крепится параллельно отражателю на двух металлических столбиках 6, например, из латуни и двух металлических частях оплеток кабелей 7. Столбики из металла 6 и части оплеток кабелей 7 электрически соединены (подпаяны) с одной стороны к отражателю 3, с другой стороны - к излучателям платы 2.
Расстояние от плат излучателей до отражателя выбирается из нескольких требований: ширины диаграммы направленности панельной антенны, минимального значения КСВН в диапазоне частот и требуемого уровня развязки между каналами. Расстояние от плат излучателей до отражателя постоянно для всех плат излучателей антенны и составляет от 0,1λср. до 0,3λср., где λср. - средняя длина волны панельной антенны.
Центральные жилы кабеля излучателя 8 электрически соединены (подпаяны) к перемычке 9, второй конец металлической перемычки через винт 10 электрически соединен с металлическим столбиком 6 и излучателем 2. Для удобства монтажа перемычек по центру платы может изготавливаться отверстие 11.
Оба излучателя и элементы питания для платы имеют одинаковую конструкцию. Такая конструкция излучателей позволяет обеспечить широкую полосу согласования антенны и высокий уровень развязки двух каналов при высокой стабильности диаграммы направленности (слабой зависимости диаграммы направленности каждого из каналов от рабочей частоты).
Снижению уровня КСВН в полосе частот способствует чередование разворота перемычек на 180° (например: для канала первой платы +45° изгиб сверху, для канала второй платы +45° изгиб снизу и т.д.). Кроме того, такое решение позволяет сделать оба канала панельной антенны практически идентичными по КСВН.
Дополнительными элементами развязки каналов в диапазоне частот могут являться отрезки проволоки 11, располагающиеся симметрично между каждой парой плат излучателей. Один конец отрезка проволоки закреплен на печатной плате излучателей, другой - на рефлекторе, угол наклона отрезка проволоки к плоскости отражателя от 30 до 60 градусов. Отрезки проволок лежат в плоскостях - перпендикулярных отражателю и параллельных друг другу.
Плоскости отрезков проволок располагаются симметрично от оси панельной антенны на расстоянии друг от друга от 0,4λср. до 0,6λср., где λср. - средняя длина волны панельной антенны. Диаметр отрезков проволоки одинаковый для всех элементов панельной антенны и может лежать в пределах от 0,002λср. до 0,012λср., где λср. - средняя длина волны панельной антенны. Все проволоки параллельны друг другу. Преимущественный материал отрезков проволоки - медь.
Каждый из излучателей совпадающей поляризации (+45° или -45°) соединен коаксиальным кабелем 5 со своей схемой питания, включающей сумматор-делитель и высокочастотный разъем 12. Сумматор-делитель (не показан) может быть выполнен на отрезках высокочастотных кабелей с различным волновым сопротивлением либо в виде печатной схемы.
Антенна размещена в корпусе из металла 13 (преимущественно из алюминиевого сплава), который может быть выполнен обтекаемой формы. Схема питания располагается в подвале корпуса, с обратной стороны отражателя. Для защиты от внешних воздействий панельная антенна снабжена радиопрозрачным укрытием хорошей аэродинамической формы 14, изготовленным из стеклопластика.
Рассмотрим работу антенны на прием. Падающая электромагнитная волна возбуждает в парах крестообразно соединенных излучателях 2 сигналы, которые через перемычки 9 по питающим коаксиальным кабелям 5 поступают в схему питания с сумматором-делителем, обеспечивающим объединение этих сигналов с заданными при расчете сумматора-делителя весами и фазовыми набегами. Далее сигналы передаются по коаксиальному кабелю на разъем 12 (в каждом из каналов), с которого они поступают на приемно-передающую аппаратуру.
При работе антенны на передачу сигнал от передатчика приемно-передающей аппаратуры (не показано) поступает на разъем 12 (в каждом из каналов) и по коаксиальному кабелю передается в сумматор-делитель, который обеспечивает деление сигнала в заданном при расчете сумматора-делителя соотношении. Полученные в результате деления сигналы по питающим коаксиальным кабелям 5 через перемычки 9 подаются на пары крестообразно соединенных излучателей, каждый из которых возбуждает в пространстве электромагнитную волну.
Плоская конструкция излучателей, механически и электрически связанная металлическими оплетками кабелей и столбиками с отражателем, позволяет создать простую (экономичную в изготовлении) и одновременно с требуемыми диаграммами направленности панельную антенну, работающую на двух ортогональных поляризациях, с высоким уровнем развязки между каналами, малым значением КСВН в диапазоне частот и нулевым сопротивлением по постоянному току.
1. Панельная антенна, состоящая из одной пары или нескольких пар ортогональных излучателей, каждый из излучателей питается коаксиальным кабелем, двух сумматоров-делителей, двух разъемов для подключения приемопередающей аппаратуры, отражателя и корпуса из металла, при этом пара ортогональных излучателей выполнена в виде одного печатного элемента в форме «мальтийского креста» со стороны отражателя, на одной плате из диэлектрического материала, так, что каждый из двух ортогональных излучателей по постоянному току замкнут друг на друга, внутренние проводники кабелей излучателей крестообразно соединены перемычками с другими половинками излучателей и с металлическими столбиками, внешние металлические оплетки кабелей соединены с отражателем и половинками излучателей, столбики соединены с отражателем и с другими половинками излучателей, плоскости плат с излучателями параллельны отражателю, крепление каждой платы излучателей осуществляется на двух металлических оплетках полужестких кабелей и двух металлических столбиках.
2. Панельная антенна по п.1, отличающаяся тем, что содержит элементы дополнительной развязки каналов в виде отрезков проволоки располагающиеся между каждой парой плат излучателей, один конец отрезка проволоки закреплен на плате излучателей, другой на отражателе, угол наклона проволоки к плоскости рефлектора от 30 до 60 градусов, отрезки проволок каждого ряда параллельны друг другу, отрезки проволок располагаются симметрично от оси панельной антенны на расстоянии друг от друга от 0,4 А ср. до 0,6 А ср., где А ср. - средняя длина волны панельной антенны, диаметр отрезков проволоки одинаковый для всех элементов панельной антенны и лежит в пределах от 0,002/1 ср. до 0,012/1 ср., где А ср. - средняя длина волны панельной антенны.
3. Панельная антенна по п.1, отличающаяся тем, что в качестве отражателя используется корпус из металла.
4. Панельная антенна по п.1, отличающаяся тем, что несколько пар ортогональных излучателей изготавливаются на одной общей плате из диэлектрического материала.
5. Панельная антенна по п.1, отличающаяся тем, что включает в себя радиопрозрачное укрытие.
