Широкополосный антенный модуль

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве антенны, работающей в системах беспроводной связи UMTS, WIFI, LTE, 5g и др. Сущность заявленного решения заключается в том, что в широкополосном антенном модуле, содержащем проводящий экран, по крайней мере два пассивных вибратора, излучатель линейной поляризации в виде круглой пластины с вырезом, симметрирующее устройство, излучатель линейной поляризации расположен над проводящим экраном, при этом в нем выполнен вырез, образованный двумя секторами окружности, расположенными симметрично относительно центра антенны, каждый вырез в виде сектора к краю пластины совмещен с дугообразным вырезом, при этом симметрирующее устройство выполнено в виде симметрирующего шлейфа, а пассивные вибраторы располагаются над дугообразными вырезами излучателя. Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение коэффициента усиления антенного модуля, расширение полосы рабочих частот антенны, а также повышение технологичности. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве антенны, работающей в системах беспроводной связи UMTS, WIFI, LTE, 5g и др.

Из существующего уровня техники известен патент № RU2479080 «Широкополосная микрополосковая антенна с трапецеидальным поперечным сечением» (опубликован 10.04.2013). Микрополосковая антенна, содержащая прямоугольный излучатель, размещенный над экранной плоскостью с Н-образной щелью и возбуждаемый микрополосковой линией со шлейфом, диэлектрическую подложку и экран антенны, отличающаяся тем, что излучающий элемент изогнут в направлении излучения микрополосковой антенны таким образом, что в поперечном сечении имеет трапецеидальную форму, симметрично относительно плоскости симметрии микрополосковой антенны, проходящей через оси симметрии экранной плоскости с Н-образной щелью, прямоугольного излучающего элемента и возбуждающей микрополосковой линии.

Недостатками вышеописанной антенны являются более узкий рабочий диапазон антенны, а также дополнительные потери в диэлектрике.

Известен патент № RU2237322 «Диапазонная направленная антенна» (опубликован 27.09.2004). Антенна, содержащая три пластины и два отрезка коаксиального фидера, при этом пластины выполнены металлическими, прямоугольными с различной площадью поверхности и расположены параллельно одна над другой, первая пластина выполнена с меньшей площадью поверхности и расположена по одну сторону от второй пластины со средней площадью поверхности, а третья пластина с большей площадью поверхности - по другую сторону от нее, центры трех пластин расположены на центральной оси, а их длинные стороны параллельны друг другу, первый отрезок коаксиального фидера расположен в одном отверстии, выполненном во второй и третьей пластинах, центральный проводник первого отрезка коаксиального фидера подсоединен к первой пластине на расстоянии от центральной оси, а наружная оболочка первого отрезка коаксиального фидера подсоединена ко второй пластине, второй отрезок коаксиального фидера расположен в другом отверстии, выполненном в третьей пластине, центральный проводник второго отрезка коаксиального фидера подсоединен ко второй пластине на большем расстоянии от центральной оси, чем расстояние от центральной оси первого отрезка коаксиального фидера, отличающаяся тем, что введена четвертая пластина, расположенная параллельно с противоположной стороны от третьей пластины относительно второй пластины, четвертая пластина выполнена металлической, прямоугольной с площадью поверхности большей, чем площадь третьей пластины, центр четвертой пластины расположен на центральной оси упомянутых трех пластин, а ее длинные стороны параллельны длинным сторонам упомянутых трех пластин, в четвертой пластине выполнены отверстия для расположения соответственно первого и второго отрезка коаксиального фидера, при этом наружная оболочка второго отрезка коаксиального фидера подсоединена к четвертой пластине, введен третий отрезок коаксиального фидера, в четвертой пластине выполнено отверстие для расположения в нем третьего отрезка коаксиального фидера, при этом центральный проводник третьего отрезка коаксиального фидера подсоединен к третьей пластине, а наружная оболочка третьего отрезка коаксиального фидера подсоединена к четвертой пластине, введены четвертый отрезок коаксиального фидера и всенаправленная антенна, расположенная со стороны первой пластины, противоположной второй пластине, по центральной оси во всех четырех пластинах выполнено центральное отверстие, в котором установлен четвертый отрезок коаксиального фидера всенаправленной антенны, наружная оболочка которого подсоединена к первой пластине.

Недостатками вышеописанной антенны является то, что для согласования в данном устройстве использованы резистивные элементы, которые снижают эффективность антенны, а также ее низкая технологичность.

В качестве ближайшего прототипа рассмотрим диапазонную направленную антенну (Патент № RU 2624788, опубликовано 6.07.2017, H01Q 13/02), содержащую металлическое зигзагообразное полотно на диэлектрической подложке, вырожденное в кольцо, заполненное двумя металлическими секторами и плоским экран-рефлектором, отличающаяся тем, что введены стакан перехода от коаксиальной к копланарной линии, стакан заземления питающего коаксиального кабеля, копланарная линия с шириной центрального проводника 0.38 мм, зазором 0.2 мм, копланарный трансформатор сопротивления длиной 0.11λ_max с плавно меняющимися шириной центрального проводника от 0.38 до 0.19 мм и зазорами от 0.2 до 0.24 мм, диаметр металлического зигзагообразного полотна составляет 0.3λ_max, а щель металлического зигзагообразного полотна выполнена симметричными относительно центра антенны с общей осью симметрии вырезами в форме двух сегментов высотой 0.024λ_max окружности с диаметром 0.27λ_max, двумя секторами с углом 28° окружности с диаметром 0.23λ_max, двумя прямоугольниками высотой 0.06λ_max и шириной 0.016λ_max, опирающимися на ось симметрии меньшей стороной, диаметр экран-рефлектора равен диаметру диэлектрической подложки и составляет 0.38λ_max, где λ_max- максимальная длина волны

Основным недостатком прототипа является малый коэффициент усиления антенны в полосе рабочих частот, присутствие дополнительных потерь в диэлектрике, а также способ питания, представляющий из себя компланарную линию, вносящую дополнительные потери.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение коэффициента усиления антенного модуля, расширение полосы рабочих частот антенны, а также повышение технологичности.

Для достижения технического результата предлагается широкополосный антенный модуль, содержащий проводящий экран, по крайней мере два пассивных вибратора, излучатель линейной поляризации в виде круглой пластины с вырезом, симметрирующее устройство, отличающийся тем, что излучатель линейной поляризации расположен над проводящим экраном, при этом в нем выполнен вырез, образованный двумя секторами окружности, расположенными симметрично относительно центра антенны, каждый вырез в виде сектора к краю пластины совмещен с дугообразным вырезом, при этом симметрирующее устройство выполнено в виде симметрирующего шлейфа, а пассивные вибраторы располагаются над дугообразными вырезами излучателя.

Симметрирующий шлейф может состоять из двух проводников, при этом верхний конец каждого из проводников может быть подключен к одному из краев выреза, а нижние концы могут быть соединены друг с другом или с экраном антенны. Между проводниками может быть расположена линия питания в виде полоски, верхним концом подключенная к одному краю щели или к верхнему концу одного из проводников, а нижний конец является полюсом входа антенны.

Все элементы конструкции широкополосного антенного модуля могут быть исполнены из листового металла с одинаковым способом обработки.

Сущность изобретения поясняется на фигурах 1, 2, 3.

На фигуре 1 представлен широкополосный антенный модуль в изометрии без открытого симметрирующего шлейфа;

На фигуре 2 представлен широкополосный антенный модуль в плоскости XY без открытого симметрирующего шлейфа;

На фигуре 3 представлен широкополосный антенный модуль в плоскости YZ с открытым симметрирующим шлейфом, где:

1 - Экран антенны

2 - Металлическая пластина

3 - Вырез в пластине

4 - Пассивный вибратор

5 - Металлическая полоска

6 - Короткозамкнутый мост

7 - Вход антенного модуля

Излучающая система антенного модуля состоит из проводящей пластины (2) с вырезом (3), и расположенной над экраном (1). Также над экраном и пластиной расположены как минимум два пассивных вибратора (4). Согласующе-симметрирующее устройство содержит два проводника, образующих короткозамкнутый мост (6) и металлическую полоску (5).

Частный случай широкополосного антенного модуля может быть выполнен следующим образом: излучатель линейной поляризации, представляющий из себя круглую пластину с диаметром 0.39λ_max, располагается над проводящим экраном на высоте 0.14λ_max. В пластине выполнен вырез, образованный двумя секторами окружности, расположенными симметрично относительно центра антенны, каждый вырез в виде сектора к краю пластины совмещен с дугообразным вырезом. Так же антенный модуль содержит по крайней мере два пассивных вибратора над пластиной вблизи краев щели, размер вдоль плоскости поляризации которых составляет 0.4…0.5λ_min.

Антенный модуль работает следующим образом: после подачи электромагнитного сигнала на вход антенного модуля (7), он распространяется через согласующе-симметрирующее устройство и возбуждает вырез, прорезанный в пластине. В нижней части рабочего диапазона, пластина с прорезанным в ней вырезом, вместе с экраном, формируют направленное излучение от экрана в сторону пластины. Размер пассивных вибраторов, их положение подобраны таким образом, что данные вибраторы оказывают влияние на входное сопротивление и направленность антенны на самой высокой частоте диапазона, что способствует расширению рабочей полосы антенного модуля и увеличению коэффициента усиления. Таким образом, в верхней части рабочего диапазона, пластина с вырезом, двумя пассивными вибраторами, вместе с экраном формируют направленное излучение от экрана в сторону пассивных вибраторов.

В результате антенна создает направленное излучение в широком диапазоне частот с усилением более 8.6 дБи. Два или более антенных модуля, размещенные на общем экране, способны формировать излучение в одном направлении, с ортогональными или параллельными поляризациями. Благодаря этому, антенна, включающая в свой состав антенные модули, может работать в системах передачи данных с технологией Multi-Input-Multi-Output. Описанная конструкция широкополосного антенного модуля позволила получить следующие основные характеристики при реализации широкополосной антенны с диапазоном рабочих частот 1700 - 5000 МГц:

Коэффициент стоячей волны (КСВ) не более 1.6 в диапазоне 1700-5000 МГц;

Коэффициент усиления 8.6-13.9 дБи;

Отношение вперед/назад не менее 15 дБ;

Уровень боковых лепестков не более 9.5 дБ

Анализ патентной и научно-технической литературы не выявил технических решений с подобной совокупностью существенных признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» заявляемого изобретения.

Заявляемые существенные признаки, предопределяющие получение указанного технического результата, явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности «изобретательский уровень».

1. Широкополосный антенный модуль, содержащий проводящий экран, по крайней мере два пассивных вибратора, излучатель линейной поляризации в виде круглой пластины с вырезом, симметрирующее устройство, отличающийся тем, что излучатель линейной поляризации расположен над проводящим экраном, при этом в нем выполнен вырез, образованный двумя секторами окружности, расположенными симметрично относительно центра антенны, каждый вырез в виде сектора к краю пластины совмещен с дугообразным вырезом, при этом симметрирующее устройство выполнено в виде симметрирующего шлейфа, а пассивные вибраторы располагаются над дугообразными вырезами излучателя.

2. Широкополосный антенный модуль по п.1, отличающийся тем, что симметрирующий шлейф состоит из двух проводников, при этом верхний конец каждого из проводников подключен к одному из краев выреза, а нижние концы соединены друг с другом или с экраном антенны.

3. Широкополосный антенный модуль по п.1, отличающийся тем, что симметрирующий шлейф включает в себя металлическую полоску, расположенную между проводниками, верхним концом подключенную к одному краю выреза или к верхнему концу одного из проводников, а нижний конец является полюсом входа антенны.