RU172803U1

RU172803U1 - BROADBAND DIRECTED ANTENNA WITH DOUBLE POLARIZATION

Info

Publication number: RU172803U1
Application number: RU2016147437U
Authority: RU
Inventors: Сергей Геннадьевич Сычугов; Алексей Львович Коновалов
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Научно-Производственное Предприятие Антэкс"
Priority date: 2017-03-27
Filing date: 2017-03-27
Publication date: 2017-07-24

Abstract

Полезная модель относится к антенной технике и может быть использована в качестве приемопередающей антенны в системах беспроводной связи GSM, UMTS, WIFI, LTE. Техническим результатом заявляемой полезной модели является упрощение схемы питания широкополосной антенны, работающей в двух ортогональных поляризациях, без применения печатных плат. Для достижения указанного технического результата предлагается широкополосная направленная антенна с двойной поляризацией, содержащая две антенны с линейной поляризацией, имеющие общий экран, каждая из которых состоит из, по крайней мере, двух активных вибраторов, причем плечи активных вибраторов одной антенны являются плечами активных вибраторов второй антенны, а схема питания вибраторов каждой антенны выполнена на отрезках двухпроводной линии передачи, соединяющих входы вибраторов и несимметричную линию передачи. 10 з.п. ф-лы, 4 ил.The utility model relates to antenna technology and can be used as a transceiver antenna in GSM, UMTS, WIFI, LTE wireless communication systems. The technical result of the claimed utility model is to simplify the power circuit of a broadband antenna operating in two orthogonal polarizations, without the use of printed circuit boards. To achieve this technical result, a dual-polarized broadband directional antenna is proposed, comprising two linearly polarized antennas having a common screen, each of which consists of at least two active vibrators, the shoulders of the active vibrators of one antenna being the shoulders of the active vibrators of the second antenna and the power circuit of the vibrators of each antenna is made on segments of a two-wire transmission line connecting the inputs of the vibrators and the asymmetric transmission line. 10 s.p. f-ly, 4 ill.

Description

Полезная модель относится к антенной технике и может быть использована в качестве приемопередающей антенны в системах беспроводной связи GSM, UMTS, WIFI, LTE.The utility model relates to antenna technology and can be used as a transceiver antenna in GSM, UMTS, WIFI, LTE wireless communication systems.

Из существующего уровня техники известен патент US 6597324 B2 «Single piece element for a dual polarized antenna» (опубликован 22.08.2003). Антенная система включает в себя множество вибраторных элементов, выполненных из единого куска материала. Диполи закреплены на плате рефлектора с единым опорным основанием и выполнены в виде состыкованных горизонтально или вертикально излучающих элементов.From the existing level of technology patent US 6597324 B2 is known "Single piece element for a dual polarized antenna" (published on 08/22/2003). The antenna system includes many vibrator elements made of a single piece of material. Dipoles are mounted on the reflector board with a single support base and are made in the form of radiating elements stacked horizontally or vertically.

Выводы питания расположены между центром единого куска материала и плечами вибраторных элементов и загнуты под углом чтобы сформировать оси симметрии в центре щелей, разделяющих элементы вибраторного ряда для ослабления излучения, вызванного током, протекающим вокруг прорезей.The power leads are located between the center of a single piece of material and the arms of the vibrator elements and are bent at an angle to form the axis of symmetry in the center of the slots separating the elements of the vibrator row to attenuate the radiation caused by the current flowing around the slots.

Главным недостатком данной антенны является низкий коэффициент усиления.The main disadvantage of this antenna is its low gain.

В качестве ближайшего прототипа рассмотрим широкополосную направленную антенну с двойной поляризацией (патент на полезную модель № RU 169151 от 18.05.2016), представляющую собой две антенны с линейной поляризацией, расположенных на одной плоскости, каждая из которых состоит из пары широкополосных симметричных активных вибраторов, плечи которых представляют собой проводящие диски диаметром около 0,46 длины волны на средней частоте и расположенных над общим, для обеих антенн, проводящим экраном на расстоянии 0,11 длины волны. При этом плечи вибраторов первой антенны являются плечами вибраторов второй антенны, а оси вибраторов первой антенны параллельны друг другу и перпендикулярны осям вибраторов второй антенны. Дополнительно в каждой антенне применены четыре общих для обеих антенн, пассивных вибратора в виде дисков диаметром 0,34 длины волны на средней частоте и расположенных над центрами плеч активных вибраторов на расстоянии 0,073 длины волны. К каждому активному вибратору подключен симметрирующий трансформатор. Выходы симметрирующих трансформаторов внутри пары параллельных вибраторов соединены с плечами делителя мощности, вход которого является входом одной антенны. Симметрирующий трансформатор представляет собой два отрезка симметричной линии одинаковой длины, причем они соединены на одном конце параллельно и могут быть подключены к плечу тройникового делителя мощности, а на другом соединены последовательно и подключены к входу активного вибратора. Тройниковый делитель мощности состоит из двух отрезков несимметричной линии передачи одинаковой длины, которые соединены друг с другом с одного конца параллельно, и образуют в этом соединении вход делителя, а другие концы являются входами плеч делителя и подключены к симметрирующим трансформаторам. Два симметрирующих трансформатора одной антенны и подключенный к ним делитель мощности могут быть реализованы на одной печатной плате. Печатные платы обоих антенн могут быть расположены друг над другом около уровня плеч активных вибраторов.As the closest prototype, consider a dual-polarized broadband directional antenna (Utility Model Patent No. RU 169151 dated 05/18/2016), which is two linearly polarized antennas located on the same plane, each of which consists of a pair of symmetrical active broadband vibrators, shoulders which are conductive disks with a diameter of about 0.46 wavelengths at a medium frequency and located above the common, for both antennas, a conductive screen at a distance of 0.11 wavelengths. The shoulders of the vibrators of the first antenna are the shoulders of the vibrators of the second antenna, and the axes of the vibrators of the first antenna are parallel to each other and perpendicular to the axes of the vibrators of the second antenna. In addition, each antenna uses four common passive vibrators for both antennas in the form of disks with a diameter of 0.34 wavelengths at a medium frequency and active vibrators located above the centers of the shoulders at a distance of 0.073 wavelengths. A balancing transformer is connected to each active vibrator. The outputs of the balancing transformers inside a pair of parallel vibrators are connected to the arms of the power divider, the input of which is the input of one antenna. The balancing transformer is two segments of a symmetrical line of the same length, and they are connected at one end in parallel and can be connected to the arm of a tee power divider, and at the other connected in series and connected to the input of the active vibrator. The tee power divider consists of two segments of an asymmetric transmission line of the same length, which are connected to each other from one end in parallel, and form the input of the divider in this connection, and the other ends are the inputs of the arms of the divider and are connected to balun transformers. Two balancing transformers of one antenna and a power divider connected to them can be implemented on one printed circuit board. The printed circuit boards of both antennas can be located one above the other near the level of the shoulders of the active vibrators.

К недостаткам данной антенны можно отнести использование печатных плат в составе антенны.The disadvantages of this antenna include the use of printed circuit boards as part of the antenna.

Технической задачей заявляемой полезной модели является устранение вышеуказанных недостатков.The technical task of the claimed utility model is to eliminate the above disadvantages.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является упрощение схемы питания широкополосной антенны, работающей в двух ортогональных поляризациях, без применения печатных плат.The technical result of the claimed utility model is to simplify the power circuit of a broadband antenna operating in two orthogonal polarizations, without the use of printed circuit boards.

Для достижения указанного технического результата предлагается широкополосная направленная антенна с двойной поляризацией, содержащая две антенны с линейной поляризацией, имеющие общий экран, каждая из которых состоит из, по крайней мере, двух активных вибраторов, причем плечи активных вибраторов одной антенны являются плечами активных вибраторов второй антенны, а схема питания вибраторов каждой антенны выполнена на отрезках двухпроводной линии передачи, соединяющих входы вибраторов и несимметричную линию передачи.To achieve this technical result, a dual-polarized broadband directional antenna is proposed, comprising two linearly polarized antennas having a common screen, each of which consists of at least two active vibrators, the shoulders of the active vibrators of one antenna being the shoulders of the active vibrators of the second antenna and the power circuit of the vibrators of each antenna is made on segments of a two-wire transmission line connecting the inputs of the vibrators and the asymmetric transmission line.

Широкополосная направленная антенна с двойной поляризацией содержит две антенны с линейной поляризацией, каждая из которых состоит из, по крайней мере, двух широкополосных симметричных активных вибраторов, плечи которых представляют собой проводящие пластины, и расположенных над общим, для обеих антенн, проводящим экраном. При этом плечи вибраторов первой антенны являются плечами вибраторов второй антенны, а оси вибраторов первой антенны параллельны друг другу и перпендикулярны осям вибраторов второй антенны. Дополнительно в каждой антенне могут быть применены четыре, общих для обеих антенн, пассивных вибратора в виде проводящих пластин и расположенных примерно над центрами плеч активных вибраторов. Схема питания вибраторов каждой антенны является параллельной и выполнена на отрезках двухпроводной линии передачи, соединяющих входы вибраторов и несимметричную линию передачи. При этом отрезки двухпроводной линии передачи одной антенны, в точке соединения с несимметричной линией передачи, находятся выше над экраном, чем отрезки двухпроводной линии другой антенны.A dual polarized broadband directional antenna contains two linearly polarized antennas, each of which consists of at least two broadband symmetrical active vibrators, the shoulders of which are conductive plates, and located above the common conductive screen for both antennas. The shoulders of the vibrators of the first antenna are the shoulders of the vibrators of the second antenna, and the axes of the vibrators of the first antenna are parallel to each other and perpendicular to the axes of the vibrators of the second antenna. Additionally, in each antenna four passive vibrators common to both antennas in the form of conductive plates and active vibrators located approximately above the centers of the shoulders can be used. The power circuit of the vibrators of each antenna is parallel and is made on the segments of a two-wire transmission line connecting the inputs of the vibrators and the asymmetric transmission line. In this case, the segments of the two-wire transmission line of one antenna, at the connection point with the asymmetric transmission line, are higher above the screen than the segments of the two-wire line of the other antenna.

В месте соединения несимметричной линии передачи с двухпроводными линиями, в каждой антенне может быть использовано симметрирующее устройство и/или согласующее устройство. Плечи активных элементов, двухпроводные линии питания, пассивные вибраторы, симметрирующие и согласующие устройства и несимметричные линии передачи могут быть выполнены из листового металла. Для защиты антенны от внешних воздействий на экран может быть закреплен диэлектрический кожух со стороны излучающих элементов или вся антенна может быть помещена в диэлектрический бокс.At the junction of the asymmetric transmission line with two-wire lines, a balancing device and / or matching device may be used in each antenna. The shoulders of the active elements, two-wire power lines, passive vibrators, balancing and matching devices and asymmetrical transmission lines can be made of sheet metal. To protect the antenna from external influences, a dielectric casing can be fixed to the screen from the side of the radiating elements, or the entire antenna can be placed in a dielectric box.

Сущность полезной модели поясняется чертежами.The essence of the utility model is illustrated by drawings.

На фигуре 1 представлена излучающая часть антенны, где:The figure 1 presents the radiating part of the antenna, where:

1, 3, 13, 16 - плечи активных вибраторов;1, 3, 13, 16 - shoulders of active vibrators;

5, 14, 15, 17 - оси активных вибраторов;5, 14, 15, 17 - axis of active vibrators;

2, 4, 9, 11 - пассивные вибраторы;2, 4, 9, 11 - passive vibrators;

6, 7, 10, 12 - входы активных вибраторов;6, 7, 10, 12 - inputs of active vibrators;

8 - экран антенны;8 - antenna screen;

На фигуре 2 частично представлен пример схемы питания антенны с использованием симметрирующих устройств в виде короткозамкнутых (К.З.) мостов, причем к месту соединения двух отрезков двухпроводной линии передачи одной из антенн подключено два К.З. мостика через перемычки, где:Figure 2 partially shows an example of an antenna power circuit using balancing devices in the form of short-circuited (KZ) bridges, with two KZ connected to the junction of two segments of the two-wire transmission line of one of the antennas. bridge through jumpers, where:

18, 20, 41, 42 - проводники нижних отрезков двухпроводной линии;18, 20, 41, 42 - conductors of the lower segments of the two-wire line;

19, 43 - выходы схемы питания, подключаемые к входам активных вибраторов19, 43 - outputs of the power circuit connected to the inputs of active vibrators

6, 12 соответственно;6, 12, respectively;

21, 27 - выходы схемы питания, подключаемые к входам активных вибраторов 10, 7 соответственно;21, 27 - outputs of the power circuit connected to the inputs of active vibrators 10, 7, respectively;

22, 23, 26, 31 - проводники верхних отрезков двухпроводной линии;22, 23, 26, 31 - conductors of the upper segments of the two-wire line;

24, 29 - перемычки;24, 29 - jumpers;

25, 32 - зажимы для подключения несимметричной линии передачи;25, 32 - clamps for connecting an asymmetric transmission line;

28, 30, 33, 34, 35, 36, 37, 40 - проводники короткозамкнутых мостов;28, 30, 33, 34, 35, 36, 37, 40 - conductors of short-circuited bridges;

38, 39 - проводники короткозамкнутого моста;38, 39 - conductors of a short-circuited bridge;

44 - фрагмент экрана антенны.44 is a fragment of an antenna screen.

На фигуре 3 частично представлен альтернативный вариант схемы питания с использованием трех К.З. мостов, при этом конструкция двух К.З. мостов упрощена и они подключены к отрезкам двухпроводной линии без перемычек.The figure 3 partially presents an alternative version of the power scheme using three K.Z. bridges, with the design of two K.Z. bridges are simplified and they are connected to segments of a two-wire line without jumpers.

На фигуре 4 частично представлен еще один альтернативный вариант схемы питания антенны с двумя К.З. мостами.The figure 4 partially presents another alternative version of the antenna power circuit with two K.Z. bridges.

С целью согласования антенны с питающей линией передачи зажимы 25 и 32 могут быть расположены не только на стыке отрезков двухпроводной линии передачи, но и на перемычках 24 и 29, на проводниках К.З. мостов.In order to align the antenna with the supply line, the clamps 25 and 32 can be located not only at the junction of the segments of the two-wire transmission line, but also on the jumpers 24 and 29, on the conductors K.Z. bridges.

Широкополосная антенна с двойной поляризацией состоит из четырех активных вибраторов, образованных плечами 1, 3, 13, 16, четырех пассивных вибраторов 2, 4, 9, 11, четырех отрезков двухпроводной линии передачи, образованные соответственно проводниками 18, 20, 41, 42 и 22, 23, 26, 31, двух симметрирующих устройств, образуемых соответственно проводниками 36, 37, 28, 33, 30, 35, 34, 40 и 38, 39, а также двумя несимметричными линиями передачи (на фигурах не показаны). Плечи активных вибраторов и пассивные вибраторы выполнены в виде проводящих пластин. При этом центр каждого из пассивных вибраторов расположен примерно над центром одного из плеч активных вибраторов. Входы 6, 12 и 7, 10 активных вибраторов подключаются к выходам 19, 43 и 27, 21 схемы питания антенны, при этом отрезки двухпроводной линии передачи, подключенные к выходам 19 и 43 расположены ниже остальных отрезков двухпроводной линии. К зажимам 25 и 32 расположенным на стыках отрезков двухпроводной линии передачи или на проводниках симметрирующих устройств, одним концом подключаются несимметричные линии передачи. Нижние концы проводников 34, 36, 37, 40 и 38, 39 имеют электрический контакт с экраном, либо могут не иметь контакт с экраном, но в этом случае нижние концы проводников образующих один К.З. мост должны быть электрически замкнуты между собой.A double polarized broadband antenna consists of four active vibrators formed by shoulders 1, 3, 13, 16, four passive vibrators 2, 4, 9, 11, four segments of a two-wire transmission line, formed respectively by conductors 18, 20, 41, 42 and 22 , 23, 26, 31, of two balancing devices formed respectively by conductors 36, 37, 28, 33, 30, 35, 34, 40 and 38, 39, as well as two asymmetric transmission lines (not shown in the figures). The shoulders of active vibrators and passive vibrators are made in the form of conductive plates. The center of each of the passive vibrators is located approximately above the center of one of the shoulders of the active vibrators. The inputs 6, 12 and 7, 10 of the active vibrators are connected to the outputs 19, 43 and 27, 21 of the antenna power circuit, while the segments of the two-wire transmission line connected to the outputs 19 and 43 are located below the remaining segments of the two-wire line. To the terminals 25 and 32 located at the joints of the segments of the two-wire transmission line or on the conductors of the balancing devices, asymmetrical transmission lines are connected at one end. The lower ends of the conductors 34, 36, 37, 40 and 38, 39 have electrical contact with the screen, or may not have contact with the screen, but in this case the lower ends of the conductors forming one K.Z. the bridge must be electrically closed to each other.

С целью повышения технологичности антенны - экран, активные и пассивные вибраторы, отрезки двухпроводной линии передачи, несимметричные линии передачи, а также проводники симметрирующих устройств могут быть выполнены из листового металла с одинаковым способом обработки.In order to increase the manufacturability of the antenna - the screen, active and passive vibrators, segments of a two-wire transmission line, asymmetric transmission lines, as well as conductors of balancing devices can be made of sheet metal with the same processing method.

Жесткость конструкции может быть повышена применением держателей, которые поддерживают плечи активных вибраторов и пассивные вибраторы над экраном на требуемом расстоянии, отрезки двухпроводных линий передач, несимметричные линии передачи.The rigidity of the structure can be enhanced by the use of holders that support the shoulders of active vibrators and passive vibrators above the screen at the required distance, segments of two-wire transmission lines, asymmetric transmission lines.

Широкополосная антенна с двойной поляризацией работает следующим образом:A dual polarized broadband antenna works as follows:

При подаче ВЧ-сигнала в одну несимметричную линию передачи, сигнал распространяется к зажимам 25 и далее через отрезки двухпроводной линии образованными проводниками 22, 23 и 26, 31 попадает на входы активных вибраторов 10 и 7 соответственно. Длины отрезков двухпроводной линии передачи примерно одинаковы, что обеспечивает синфазное и равно амплитудное возбуждение активных вибраторов, образованных плечами 1, 16 и 3, 13. Активные вибраторы вместе с пассивными вибраторами 2, 4, 9, 11 и экраном 8 формируют излучение линейной поляризации, параллельной осям 17 и 14, от экрана 8 в сторону пассивных вибраторов.When applying the RF signal to one asymmetric transmission line, the signal propagates to the terminals 25 and then through the segments of the two-wire line formed by the conductors 22, 23 and 26, 31 gets to the inputs of the active vibrators 10 and 7, respectively. The lengths of the segments of the two-wire transmission line are approximately the same, which provides in-phase and equal-amplitude excitation of active vibrators formed by shoulders 1, 16 and 3, 13. Active vibrators together with passive vibrators 2, 4, 9, 11 and screen 8 form linearly polarized radiation parallel to axes 17 and 14, from the screen 8 towards the passive vibrators.

Аналогичным образом работает антенна, у которой активные вибраторы, образованны плечами 1, 3 и 16, 13, и которые лежат на осях 5 и 15, питаемые от другой несимметричной линии, через зажимы 32 и далее через отрезки двухпроводной линии передачи, образованные проводниками 18, 20 и 41, 42. Поляризация излучаемого поля при этом параллельна осям 5 и 15.The antenna works in a similar way, in which active vibrators are formed by the arms 1, 3 and 16, 13, and which lie on the axes 5 and 15, fed from another asymmetric line, through the clamps 32 and further through the segments of the two-wire transmission line formed by the conductors 18, 20 and 41, 42. The polarization of the radiated field is parallel to the axes 5 and 15.

В результате две антенны способны независимо друг от друга формировать излучение в одинаковом направлении, но с взаимно ортогональными поляризациями. Благодаря этому широкополосная направленная антенна с двойной поляризацией может работать одновременно с двумя приемниками или двумя передатчиками и обеспечивать работу системы связи использующую поляризационное разделение каналов распространения радиоволн.As a result, two antennas are capable of independently generating radiation in the same direction, but with mutually orthogonal polarizations. Due to this, a dual-polarized broadband directional antenna can work simultaneously with two receivers or two transmitters and ensure the operation of a communication system using polarization separation of radio wave propagation channels.

Описанные варианты конструкций позволили получить следующие основные характеристики при реализации антенны в диапазоне частот 1700-2700 МГц:The described design options allowed to obtain the following main characteristics when implementing the antenna in the frequency range 1700-2700 MHz:

коэффициент стоячей волны (КСВ) по входу антенны в вариантах согласовании с коаксиальной линией 50 Ом не более 1.5;standing wave coefficient (SWR) at the input of the antenna in variants matching with a 50 ohm coaxial line no more than 1.5;

коэффициент усиления в указанном диапазоне частот 12.5÷16.0 дБ по отношению к изотропному излучателю;gain in the indicated frequency range 12.5 ÷ 16.0 dB with respect to the isotropic emitter;

развязка между входами антенны более 25 дБ;isolation between the antenna inputs is more than 25 dB;

уровень бокового излучения не более 12.5 дБ;level of lateral radiation no more than 12.5 dB;

размеры антенны с учетом размеров кожуха 240 мм·240 мм·50 мм.the dimensions of the antenna, taking into account the dimensions of the casing, are 240 mm · 240 mm · 50 mm.

Claims

1. Broadband directional antenna with double polarization, containing two antennas with linear polarization having a common screen, each of which consists of at least two active vibrators, and the shoulders of the active vibrators of one antenna are the shoulders of the active vibrators of the second antenna, characterized in that the power circuit of the vibrators of each antenna is made on segments of a two-wire transmission line connecting the inputs of the vibrators and the asymmetric transmission line.

2. Broadband directional antenna with double polarization according to claim 1, characterized in that the segments of the two-wire transmission line of one antenna, at the junction with the asymmetric transmission line, are higher above the screen than the segments of the two-wire transmission line of the other antenna.

3. Broadband directional antenna with double polarization according to claim 1, characterized in that the axes of the active vibrators of one antenna are parallel to each other and perpendicular to the axes of the active vibrators of the second antenna.

4. Broadband directional antenna with double polarization according to claim 1, characterized in that each antenna with linear polarization contains at least four passive vibrators located approximately above the centers of the shoulders of the active vibrators, and passive vibrators are common for linear polarized antennas .

5. Broadband directional antenna with double polarization according to claim 1, characterized in that it contains a dielectric casing.

6. Broadband directional antenna with double polarization according to claim 1, characterized in that the antenna is placed in a dielectric box.

7. Broadband directional antenna with double polarization according to claim 1, characterized in that at the junction of the asymmetric transmission line with two-wire lines in each antenna a balun device is used.

8. Broadband directional antenna with double polarization according to claim 7, characterized in that the balancing devices are made in the form of short-circuited bridges.

9. Broadband directional antenna with double polarization according to claim 1, characterized in that at the junction of the asymmetric transmission line with two-wire lines, a matching device is used in each antenna.

10. Broadband directional antenna with double polarization according to claim 9, characterized in that the matching devices are made in the form of short-circuited bridges.

11. Broadband directional antenna with double polarization according to claim 1, characterized in that the screen, active and passive vibrators, segments of a two-wire transmission line, asymmetric transmission lines, as well as conductors of balancing and matching devices are made of sheet metal with the same processing method.