Уголковая антенна

 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антенным системам, и может быть использовано в технике ультракоротковолновой, в частности сотовой, связи. Техническим результатом изобретения является создание уголковой антенны с секторной диаграммой направленности в азимутальной плоскости. Технический результат достигается тем, что антенна содержит уголковый рефлектор 16 с углом ϕ в раскрыве, образованный проводящими пластинами 10, 12, выполняющими функции основных отражателей, облучающее устройство 18, размещенное в полости уголкового рефлектора. В уголковый рефлектор введены дополнительные проводящие пластины 26, 28, выполняющие функции дополнительных отражателей. Пластины 26, 28 установлены под углами α и β в направлении раскрыва уголкового рефлектора, их ребра параллельны ребрам проводящих пластин 10, 12 основных отражателей и кромке 14 уголкового рефлектора. Значение углов выбрано из условий ϕ, α и β α, β, ϕ<π; α+β+ϕ>2π. 10 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антенным системам и может быть использовано в технике ультракоротковолновой, в частности сотовой, связи.

Для работы в диапазоне дециметровых и метровых волн достаточно часто используются уголковые антенны или, как их называют, антенны с уголковым отражателем. Конструкция, в простейшем виде, включает две плоские пластины, образующие отражатель (рефлектор), между которыми размещен линейный облучатель. В качестве облучателя используются, как правило, либо одиночный вибратор, либо линейная вибраторная решетка. Обычно ось облучателя располагается в биссекториальной плоскости антенны. При надлежащем выборе угла рефлектора и расстояния от оси вибратора до вершины угла возможно обеспечить благоприятное сложение поля волны, отраженной от рефлектора с полем волны, создаваемой непосредственно вибратором. При симметричном расположении облучателя относительно пластин рефлектора и относительно небольших размерах рефлектора, максимальное излучение обеспечивается преимущественно в направлении биссектрисы угла. Высота рефлектора обычно выбирается несколько большей, чем длина облучателя, а ширина каждой пластины - не менее длины волны (см., например, монографию - Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. "Антенны УКВ", п/р Айзенберга Г.З., М., Связь, 1977, ч.2, с.122-135) [1].

Использование уголковых антенн не исчерпывается единичным элементом: объединение большого числа упомянутых выше уголковых антенн позволяет создать компактную антенную систему, реализующую многолучевой режим излучения/приема радиоволн и перспективную для систем сотовой радиосвязи (см., например, ЕР 0624919 A1, NTT MOBILE COMMUNICATIONS NETWORK INC, H 01 Q 25/00, 17.11.1994)[2].

Ряд изобретений касается придания рефлектору формы, отличной от плоской, чем обеспечивается заданная направленность антенны. Так, например, в антенне по патенту US 3803622, 343/836, 09.04.1974 [3], 90^o-ный рефлектор имеет обращенные наружу под углом 10^o симметричные отгибы шириной 0,23λ,где λ- длина волны электромагнитных колебаний, при этом протяженность самих отражателей в направлении излучения составляет 0,21λ,а облучатель размещен на расстоянии 0,12λ от кромки. В антенне по патенту DE 1211499, SIEMENS..., Н О1 Q, 30.11.1967 [4] представлена антенна, содержащая широкополосный излучатель и отражатель сложной формы, имеющий элементы рефлектора, установленные под разными углами, а также представлены номограммы для выбора расстояния от кромки, размеров и углов размещения отражателей.

Более сложные конструкции уголковых антенн содержат усовершенствования в части выполнения отражателей. Так, из публикации (см., JP 11205030 A, Ueda Japan Radio Co Ltd., H 01 Q 15/18, 30.07.1999)[5], известна антенна с уголковым рефлектором, сформированная из двух проводящих пластин, соединенных под заданным углом раскрыва, и из элемента возбуждения, установленного на заданном расстоянии от пластин. К пластинам в направлении раскрыва прикреплены плоские проводники, размещенные с зазором относительно краев упомянутых пластин. Таким путем решается задача получения высокого коэффициента усиления антенны без увеличения физической площади раскрыва уголкового рефлектора. Это является полезным для снижения ветровой нагрузки на конструкцию.

Анализ показывает, что в приведенных источниках информации [1]-[5] не содержится рекомендаций по созданию уголковой антенны, формирующей диаграмму направленности секторной формы, например, "П-образную" диаграмму направленности. Такая антенна в азимутальной плоскости, т.е. в плоскости, перпендикулярной ребру уголкового рефлектора, характеризуется определенной формой диаграммы излучения в заданном секторе углов и резким спадом излучения вне этого сектора. Если внутри сектора уровень излучения почти не меняется, то такая диаграмма направленности называется П-образной. Такая антенна является весьма полезной для организации зон равномерной передачи/приема радиоволн, например, для систем мобильной связи, а также в ряде других применений.

Таким образом, задачей изобретения является создание уголковой антенны с секторной диаграммой направленности в азимутальной плоскости.

Технический результат достигается тем, что антенна содержит уголковый рефлектор, образованный двумя прямоугольными проводящими пластинами, соединенными под углом ϕ и выполняющими функции основных отражателей, облучающее устройство, размещенное в полости упомянутого уголкового рефлектора. Устройство отличается тем, что в него введены дополнительные прямоугольные проводящие пластины, выполняющие функции дополнительных отражателей. Каждая дополнительная прямоугольная проводящая пластина размещена под углом к одноименной пластине основных отражателей и соединена с последней по кромке, параллельной линии соединения основных отражателей.

Значения упомянутых углов удовлетворяют условиям α,β,ϕ<π; α+β+ϕ>2π, (1) где α,β- значения углов, под которыми соединены пластины основных отражателей с пластинами дополнительных отражателей.

Уголковая антенна может характеризоваться тем, что упомянутое облучающее устройство размещено относительно упомянутых проводящих пластин основных отражателей на расстояниях s₁ и s₂, удовлетворяющих соотношениям: 5/8λ>(s₁,s₂)>1/8λ, (2) где: λ- - длина волны электромагнитных колебаний в среде, заполняющей полость уголкового рефлектора.

Уголковая антенна может характеризоваться и тем, что упомянутое облучающее устройство выполнено в виде линейной решетки излучателей.

Уголковая антенна может характеризоваться также тем, что упомянутое облучающее устройство выполнено в виде линейной решетки излучателей, каждый из которых выполнен в виде электрического вибратора.

Уголковая антенна, кроме того, может характеризоваться тем, что упомянутые проводящие пластины выполнены из металлических листов.

Уголковая антенна может характеризоваться также тем, что уголковый рефлектор выполнен из единого листа металла.

Уголковая антенна может характеризоваться и тем, что упомянутый уголковый рефлектор выполнен из полимерных материалов, а проводящие пластины образованы ламинированием полости рефлектора металлом.

Уголковая антенна может характеризоваться также тем, что торцевые поверхности упомянутого уголкового рефлектора снабжены крышками, скрепленными с рефлектором, с возможностью присоединения к последним элементов крепления антенны и средств подключения к антенно-фидерному тракту.

Уголковая антенна может характеризоваться также и тем, что упомянутые крышки выполнены из проводящего материала.

Уголковая антенна может, кроме того, характеризоваться тем, что упомянутая полость рефлектора заполнена диэлектрическим материалом.

Уголковая антенна может характеризоваться тем, что раскрыв уголкового рефлектора закрыт обтекателем из радиопрозрачного материала.

Сущность изобретения поясняется на рисунках, где на фиг. 1 представлено сечение патентуемой уголковой антенны в горизонтальной плоскости, на фиг.2 - общий вид уголковой антенны по данному изобретению, на фиг.3 - сопоставление диаграмм направленности в азимутальной плоскости для патентуемой конструкции антенны и обычной уголковой антенны.

На фиг. 4 показан пример выполнения рефлектора заодно с обтекателем из профилированной трубы.

Реализации патентуемой уголковой антенны предшествует выбор параметров исходя из конкретных требований использования. Задается полоса рабочих частот (для примера реализации антенны она составляет 1700 - 2000 МГц), а также максимальный размер апертуры. Затем определяют вид облучающего устройства исходя из требований направления вектора поляризации электромагнитного излучения. Для описываемого примера реализации задается вертикальная поляризация, которая обеспечивается использованием вертикальных вибраторов. Для вибратора известна диаграмма направленности в горизонтальной плоскости - она равномерная.

Затем, согласно изобретению, выбирают параметры рефлектора с геометрией, изображенной на фиг.1. Путем выбора длины вибратора и расстояний s₁, s₂ (в диапазоне, удовлетворяющем условию 5/8λ>(s₁,s₂)>1/8λ, подбирают волновое сопротивление вибраторов, чтобы мнимая часть входного сопротивления была близка к нулю, а активная - была близка к характеристическому сопротивлению линии передачи, возбуждающей вибратор. Для симметричного размещения s₁=s₂, и в этом случае этот размер обозначен на фиг.1 как "s". Если между линией передачи и кабелем имеется делитель мощности (в случае облучателя в виде решетки), то активная часть входного сопротивления упомянутого делителя должна равняться характеристическому сопротивлению возбуждающей вибратор линии передачи.

После этого, используя методы вычислительной электродинамики, например метод интегральных уравнений (см. Давыдов А.Г., Пименов Ю.В. Программный комплекс EDEM3D для исследования электродинамических характеристик идеально проводящих трехмерных объектов// "Электродинамика СВЧ и КВЧ", 1999, т. 7, вып. 2, с. 24-26)), вычисляют диаграмму направленности антенны в горизонтальной плоскости. Затем подбирают геометрические параметры антенны с целью получения диаграммы направленности заданной формы, например, с максимальной прямоугольностью, с помощью методов многомерной оптимизации (см., например, Аоки М. Введение в методы функциональной оптимизации. - М., "Наука". 1976).

Уголковая антенна (фиг. 1) содержит отражающие проводящие пластины 10, 12, соединенные по кромке 14 вдоль параллельных граней. Пластины 10, 12, выполняющие функции основных отражателей, образуют уголковый рефлектор 16 с углом ϕ в раскрыве. Облучатели 18 размещены на расстояниях s₁, s₂ от отражающих пластин 10, 12 и на расстоянии s от кромки 14. В частном случае, если облучатели 18 размещены в биссекториальной плоскости 20 уголкового рефлектора, то s₁ = s₂ = s•sin(ϕ/2). К проводящим пластинам 10, 12 в направлении их ширины, т.е. в направлении раскрыва антенны, к их кромкам 22, 24 присоединены дополнительные проводящие отражающие пластины 26, 28 размерами a, b. Кромки пластин 22, 24 параллельны кромке 14 и образуют дополнительные отражатели, расположенные под углами α и β к основным отражателям. Значение углов удовлетворяет условию α,β,ϕ<π; α+β+ϕ+>2π. Если антенна должна иметь симметричную диаграмму направленности, то величины углов и размеры выбирают соответствующими: α = β, a=b.

Антенна имеет апертуру размером А и полный размер w в направлении излучения.

Общий вид экспериментального образца патентуемой антенны представлен на фиг. 2. На торцах уголкового рефлектора 16 установлены и прикреплены крышки 30, 32, являющиеся элементами для крепления облучателей 18 и электрического разъема 34, предназначенного для подключения облучающего устройства к антенно-фидерному тракту. Крышки могут быть выполнены из проводящего материала.

Облучатели 18 выполнены в виде линейной решетки излучателей 40, размещенной параллельно кромке 14. Каждый из излучателей 40 выполнен в виде электрического вибратора. Конструкция таких излучателей 40 является известной и в данном изобретении излучатели использованы по известному назначению. Высота антенны в вертикальной плоскости составляет L.

В качестве примера изобретения синтезирована и реализована уголковая антенна, имеющая П-образную характеристику диаграммы направленности в секторе ±30^o. Значения соответствующих геометрических параметров сведены в таблицу. Там же приведены геометрические параметры образца уголковой антенны [1], с которой в ходе испытаний проводилось сравнение.

Значения выбранных углов ϕ,α,β для экспериментального образца патентуемой антенны удовлетворяют приведенным условиям (1), (2):
(1) 162^o, 129^o, 129^o<π; 162^o+129^o+129^o=420^o>2π,
(2) 5/8λ>(s•sin(ϕ/2))>1/8λ, при λ_ср=158 мм выполняется условие 60>35>20.

На фиг. 3 представлены результаты измерения диаграмм направленности для двух антенн в азимутальной (горизонтальной) плоскости. Приведена зависимость коэффициента усиления (КУ) для обычной уголковой антенны [1] (кривая 1) и соответствующая характеристика для патентуемой конструкции антенны (кривая 2) на частоте 1,92 ГГц. Коэффициент усиления обеих антенн нормирован по величине КУ патентуемой антенны при Θ = 0. Видно, что патентуемая конструкция антенны обеспечивает в 60-градусном секторе более равномерный уровень излучаемой мощности (неравномерность 1 дБ), чем известная уголковая антенна (неравномерность 3 дБ). При этом у патентуемой антенны уровень излучения для углов Θ > 90° меньше, а минимальное значение КУ в секторе ±30^o приблизительно на 1 дБ больше, чем у известной антенны.

Исследования патентуемой антенны показали, что коэффициент усиления антенны в указанном диапазоне частот 1,8-2,0 ГГц составляет 14,1-14,3 дБ, что является близким к ожидаемому значению. Коэффициент стоячей волны (КСВ) определялся как при отсутствии, так и при наличии согласующих элементов. В первом случае КСВ составлял менее 1,5 в диапазоне частот 1,8-2,1 ГГц. При использовании согласующего элемента (полосковая линия на открытом конце) определяемое значение КСВ составляло также менее 1,5, однако в более широком диапазоне частот 1,7-2,3 ГГц.

Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что антенна с секторным типом диаграммы направленности имеет хорошие характеристики и ее использование в системах связи перспективно.

Уголковый рефлектор патентуемой антенны может быть выполнен с использованием различной технологии, например обработкой давлением штамповкой, гибкой одновременно всех соответствующих элементов конструкции, в том числе торцевых крышек из металлического листа, преимущественно из алюминиевых сплавов. Эти же элементы или их отдельные части могут быть сформированы отдельно с их последующей сборкой. Кроме того, рефлектор может быть выполнен из пластической массы методами прессования с последующим покрытием (ламинированием) внутренних поверхностей металлической фольгой. Полость рефлектора вместе с излучателями может быть заполнена пенополистиролом или другим подобным материалом из группы неполярных твердых диэлектриков, а также содержать другие неметаллические защитные элементы, препятствующие проникновению атмосферных осадков. Так, раскрыв уголкового рефлектора может быть закрыт обтекателем из радиопрозрачного материала (не показан).

Отдельное решение - выполнение рефлектора из диэлектрического протяженного профиля трубчатой формы (фиг.4). Профиль при формовании с помощью экструдера можно задать любым исходя не только из необходимых параметров уголкового рефлектора, то есть размеров и углов наклона граней 101, 121, 261, 281, но и обтекателя 50, а также элементов крепления (не показаны). Однако главным преимуществом в этом случае будет являться то обстоятельство, что не потребуется отдельного защитного элемента - обтекателя в раскрыве рефлектора и обеспечивается полная герметичность по боковой поверхности.

Облучатели могут быть выполнены различными методами. В частности, может быть применена технология изготовления печатных излучателей методами литографии - травлением металлизированного диэлектрического материала, или другими методами. Аналогичным образом могут быть изготовлены и элементы электрического согласования. Приведенные сведения свидетельствуют о промышленной применимости патентуемого изобретения.

Формула изобретения

1. Уголковая антенна, содержащая уголковый рефлектор, образованный двумя прямоугольными проводящими пластинами, соединенными под углом ϕ и выполняющими функции основных отражателей, облучающее устройство, размещенное в полости упомянутого уголкового рефлектора, дополнительные прямоугольные проводящие пластины, выполняющие функции дополнительных отражателей, каждая дополнительная прямоугольная проводящая пластина размещена под углом к одноименной пластине основных отражателей и соединена с последней по кромке, параллельной линии соединения основных отражателей, значения упомянутых углов удовлетворяют условиям α, β, ϕ<π; α+β+ϕ>2π, где α,β - значения углов, под которыми соединены пластины основных отражателей с пластинами дополнительных отражателей.

2. Устройство по п. 1, в котором упомянутое облучающее устройство размещено относительно упомянутых проводящих пластин основных отражателей на расстояниях s₁ и s₂ удовлетворяющих соотношениям 5/8λ>(s₁,s₂)>1/8λ, где: λ - длина волны электромагнитных колебаний в среде, заполняющей полость уголкового рефлектора.

3. Устройство по п. 1 или 2, в котором упомянутое облучающее устройство выполнено в виде линейной решетки излучателей.

4. Устройство по п. 1 или 2, в котором упомянутое облучающее устройство выполнено в виде линейной решетки излучателей, каждый из которых выполнен в виде электрического вибратора.

5. Устройство по любому из пп. 1-4, в котором упомянутые проводящие пластины выполнены из металлических листов.

6. Устройство по любому из пп. 1-4, в котором уголковый рефлектор выполнен из единого листа металла.

7. Устройство по любому из пп. 1-4, в котором упомянутый уголковый рефлектор выполнен из полимерных материалов, а проводящие пластины образованы ламинированием полости рефлектора металлом.

8. Устройство по любому из пп. 1-7, в котором торцевые поверхности упомянутого уголкового рефлектора снабжены крышками, скрепленными с рефлектором, с возможностью присоединения к последним элементов крепления антенны и средств подключения к антенно-фидерному тракту.

9. Устройство по п. 8, в котором упомянутые крышки выполнены из проводящего материала.

10. Устройство по любому из пп. 1-9, в котором упомянутая полость рефлектора заполнена диэлектрическим материалом.

11. Устройство по любому из пп. 1-10, в котором раскрыв уголкового рефлектора закрыт обтекателем из радиопрозрачного материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5