RU197751U1

RU197751U1 - DIRECTED ANTENNA

Info

Publication number: RU197751U1
Application number: RU2019129966U
Authority: RU
Inventors: Максим Викторович Дахин; Вадим Петрович Собина
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Крокс Плюс"
Priority date: 2019-09-23
Filing date: 2019-09-23
Publication date: 2020-05-26

Abstract

Полезная модель относится к области телекоммуникаций и может быть использована для улучшения качества распространения сигналов Wi-Fi. Техническим результатом заявленной полезной модели является улучшение уровня Wi-Fi сигнала. Технический результат достигается за счет того, что заявленная полезная модель содержит четыре вертикально расположенных излучающих антенных элемента, имеющих возможность работать одновременно в двух поляризациях и выполненных в виде планарных щелевых излучателей, формирующих узкую диаграмму направленности сигнала частот Wi-Fi в вертикальной плоскости и широкую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости.The utility model relates to telecommunications and can be used to improve the quality of distribution of Wi-Fi signals. The technical result of the claimed utility model is to improve the level of Wi-Fi signal. The technical result is achieved due to the fact that the claimed utility model contains four vertically arranged emitting antenna elements that can work simultaneously in two polarizations and made in the form of planar slot emitters forming a narrow radiation pattern of a Wi-Fi frequency signal in a vertical plane and a wide radiation pattern in the horizontal plane.

Description

Полезная модель относится к области телекоммуникаций и может быть использована для улучшения качества распространения сигналов Wi-Fi, например, в условиях жилых и нежилых помещений разной этажности в пределах одного этажа или в общественных местах, где требуется большая площадь покрытия Wi-Fi сигналом.The utility model relates to the field of telecommunications and can be used to improve the quality of distribution of Wi-Fi signals, for example, in residential and non-residential premises of different floors within one floor or in public places where a large area of Wi-Fi signal coverage is required.

Из существующего уровня техники известна секторная антенная решетка (патент на изобретение РФ 2206948, опубликован 20.06.2003). В отличие от предлагаемой полезной модели, секторная антенная решетка используется для телевизионного вещания, имеет возможность работы только в одной поляризации.From the existing level of technology, a sector antenna array is known (RF patent 2206948, published June 20, 2003). Unlike the proposed utility model, a sector antenna array is used for television broadcasting and has the ability to work in only one polarization.

Известна также секторная антенна для базовых станций с двумя поляризациями (патент US 6072439, опубликован 06.06.2000). В отличие от предлагаемой полезной модели, данная секторная антенна предназначена для уличного использования и не может использоваться на частотах Wi-Fi.Also known sector antenna for base stations with two polarizations (patent US 6072439, published 06.06.2000). Unlike the proposed utility model, this sector antenna is designed for street use and cannot be used at Wi-Fi frequencies.

Известна многопротокольная антенна (патент на изобретение РФ 2494503, опубликован 27.09.2013), работающая в диапазоне частот Wi-Fi. Недостатками данной антенны являются невысокий коэффициент усиления, узкая диаграмма направленности.Known multi-protocol antenna (patent for the invention of the Russian Federation 2494503, published 09/27/2013), operating in the frequency range of Wi-Fi. The disadvantages of this antenna are the low gain, narrow radiation pattern.

Наиболее близким по достигаемому результату является механически реконфигурируемая антенна для беспроводных точек доступа (US 2005168387, прототип), где предлагается дополнить штатные антенные точки доступа уголковыми рефлекторами для концентрации излучения всенаправленной антенны в одном направлении. Достигаемый при этом эффект схож с предлагаемым изделием. Но прототип имеет следующие недостатки: диаграмма направленности данной антенной системы не подходит для решения поставленной технической задачи. Вследствие чего приемное устройство точки доступа по-прежнему хорошо может принимать сигналы точек доступа расположенных этажами выше и этажами ниже. Кроме того, суммарный коэффициент усиления составляет 6-12 дБ. В предлагаемой полезной модели он составляет от 13 до 14 дБ. Помимо вышеперечисленного, способ установки уголкового отражателя исключает полноценное использование MIMO (Multiple Input Multiple Output) технологии, где осуществляется пространственное разделение каналов по разным поляризациям. В предлагаемой полезной модели такой недостаток отсутствует.The closest to the achieved result is a mechanically reconfigurable antenna for wireless access points (US 2005168387, prototype), where it is proposed to supplement the standard antenna access points with corner reflectors to concentrate the radiation of an omnidirectional antenna in one direction. The effect achieved in this case is similar to the proposed product. But the prototype has the following disadvantages: the radiation pattern of this antenna system is not suitable for solving the technical problem. As a result, the access point receiver can still receive signals from access points located floors higher and floors lower. In addition, the total gain is 6-12 dB. In the proposed utility model, it is from 13 to 14 dB. In addition to the above, the installation method of a corner reflector eliminates the full use of MIMO (Multiple Input Multiple Output) technology, where the channels are spatially separated by different polarizations. In the proposed utility model, such a drawback is absent.

Техническим результатом заявленной полезной модели является улучшение уровня Wi-Fi сигнала. Уровень Wi-Fi сигнала увеличивается за счет концентрации излучения в заданном направлении, что влечет за собой увеличение дальности, скорости передачи данных и стабильности сигнала без увеличения мощности излучения, а также снижение уровня помех и шумов в передаваемом сигнале.The technical result of the claimed utility model is to improve the level of Wi-Fi signal. The Wi-Fi signal level increases due to the concentration of radiation in a given direction, which entails an increase in range, data transfer speed and signal stability without increasing radiation power, as well as a decrease in the level of interference and noise in the transmitted signal.

Технический результат достигается за счет того, что полезная модель содержит четыре вертикально расположенных излучающих антенных элемента, имеющих возможность работать в двух поляризациях и выполненных в виде планарных излучателей, формирующих узкую диаграмму направленности сигнала частот Wi-Fi в вертикальной плоскости и широкую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости.The technical result is achieved due to the fact that the utility model contains four vertically arranged emitting antenna elements that can operate in two polarizations and made in the form of planar emitters, forming a narrow radiation pattern of the Wi-Fi frequency signal in the vertical plane and a wide radiation pattern in the horizontal plane .

За счет узкой диаграммы направленности в вертикальной плоскости происходит концентрация излучения сигнала без подвода дополнительной мощности и увеличивается коэффициент направленного действия. Соответственно, пропорционально увеличивается дальность распространения сигнала и коэффициент усиления.Due to the narrow radiation pattern in the vertical plane, the radiation of the signal is concentrated without applying additional power and the directional coefficient increases. Accordingly, the signal propagation range and gain are proportionally increased.

За счет широкой диаграммы направленности в горизонтальной плоскости расширяется площадь зоны покрытия Wi-Fi сигналом. Сигнал от направленной антенны распространяется на пользовательские устройства, расположенные в пределах одного этажа. Пользовательские устройства, расположенные этажом выше или этажом ниже, сигнала от направленной антенны не обнаруживают и не вносят помех в Wi-Fi сеть. В свою очередь, направленная антенна благодаря широкой диаграмме направленности в горизонтальной плоскости, не обнаруживает Wi-Fi сети на других этажах здания. Стабильный Wi-Fi сигнал с низким уровнем шумов и помех позволяет роутеру и пользовательским устройствам существенно увеличить скорость передачи данных.Due to the wide radiation pattern in the horizontal plane, the area of the coverage area of the Wi-Fi signal is expanded. The signal from the directional antenna extends to user devices located within the same floor. User devices located one floor above or one floor below do not detect and do not interfere with the directional antenna in a Wi-Fi network. In turn, the directional antenna due to the wide radiation pattern in the horizontal plane does not detect Wi-Fi networks on other floors of the building. A stable Wi-Fi signal with low noise and interference allows the router and user devices to significantly increase the data transfer speed.

Двухполяризационные антенные излучатели позволяют применять технологию MIMO и существенно увеличить скорость передачи данных.Two-polarized antenna emitters allow the use of MIMO technology and significantly increase the data transfer rate.

Планарные излучающие элементы обеспечивают высокие технические показатели при малых габаритных размерах, массе и стоимости изготовления.Planar radiating elements provide high technical performance with small overall dimensions, weight and manufacturing cost.

Высокий коэффициент усиления антенны позволяет увеличить дальность передаваемого Wi-Fi сигнала. Диаграмма направленности антенны узкая в вертикальной плоскости и широкая в горизонтальной, позволяет покрыть Wi-Fi сигналом пространство большой площади. Мощность излучения антенны остается на прежнем уровне, а увеличение зоны покрытия обеспечивается за счет концентрации излучения сигнала в заданном направлении. Применение технологии MIMO значительно увеличивает скорость передачи данных.High antenna gain allows you to increase the range of the transmitted Wi-Fi signal. The antenna pattern is narrow in the vertical plane and wide in the horizontal, it allows you to cover a large area with a Wi-Fi signal. The radiation power of the antenna remains at the same level, and the increase in the coverage area is provided due to the concentration of signal radiation in a given direction. The use of MIMO technology significantly increases the data transfer rate.

Таким образом, направленная антенна в отличие от наиболее близких аналогов и прототипов имеет более высокий коэффициент усиления, пространственное разделение каналов по поляризациям для полноценного использования MIMO технологии, работает в диапазоне частот Wi-Fi, и обладает диаграммой направленности необходимой для достижения технического результата.Thus, a directional antenna, unlike the closest analogs and prototypes, has a higher gain, spatial separation of channels by polarization for the full use of MIMO technology, operates in the Wi-Fi frequency range, and has a radiation pattern necessary to achieve a technical result.

Заявляемая полезная модель поясняется схемами. На Фиг. 1 изображена типовая квартира многоквартирного дома и один из вариантов размещения направленной антенны с точкой доступа, где: 1 - направленная антенна с точкой доступа; 2 - входная дверь в квартиру; 3 - зона покрытия помещения Wi-Fi сигналом от направленной антенны.The inventive utility model is illustrated by diagrams. In FIG. 1 shows a typical apartment of an apartment building and one of the options for placing a directional antenna with an access point, where: 1 - a directional antenna with an access point; 2 - entrance door to the apartment; 3 - coverage area of the Wi-Fi signal from the directional antenna.

На Фиг. 2 изображена проекция распространения излучаемого направленной антенной сигнала, являющаяся техническим результатом полезной модели, где: 1 - направленная антенна с точкой доступа; 2 - входная дверь в квартиру; 3 - зона покрытия помещения Wi-Fi сигналом от направленной антенны.In FIG. 2 shows a projection of the propagation of a radiated directional antenna signal, which is a technical result of a utility model, where: 1 - a directional antenna with an access point; 2 - entrance door to the apartment; 3 - coverage area of the Wi-Fi signal from the directional antenna.

На Фиг. 3 изображен разнесенный вид одного из вариантов исполнения Wi-Fi антенны, где: 4 - двусторонняя печатная плата антенны; 5 - излучающие элементы (излучатели); 6 - корпус антенны; 7 - разъемы для подключения кабелей питания и передачи данных; 8 - защитная крышка с нанесенными на нее планарными пассивными вибраторами; 9 - панели торцевые.In FIG. 3 shows an exploded view of one of the Wi-Fi antenna embodiments, where: 4 is a double-sided printed circuit board of the antenna; 5 - radiating elements (emitters); 6 - antenna body; 7 - connectors for connecting power and data cables; 8 - a protective cover with applied planar passive vibrators; 9 - end panels.

На Фиг. 4 изображен общий вид одного из вариантов исполнения Wi-Fi антенны.In FIG. Figure 4 shows a general view of one embodiment of a Wi-Fi antenna.

На Фиг. 5 показан один из вариантов исполнения топологии печатной платы планарной секторной щелевой антенной решетки, где: 4 - двусторонняя печатная плата; 5 - двухполяризационные щелевые излучающие элементы (щелевые вибраторы); 10 - питающие микрополосковые линии; 11 - приемопередающий модуль и электрорадиоэлементы маршрутизатора.In FIG. 5 shows one embodiment of a printed circuit board topology of a planar sector slot antenna array, where: 4 is a double-sided printed circuit board; 5 - bipolarization slotted radiating elements (slotted vibrators); 10 - feeding microstrip lines; 11 - transceiver module and electrical components of the router.

Заявленное устройство может представлять собой антенну, совмещенную с точкой доступа, роутером, либо являться отдельным устройством - антенной с диаграммой направленности отвечающей условиям получения технического результата.The claimed device can be an antenna combined with an access point, a router, or it can be a separate device - an antenna with a radiation pattern that meets the conditions for obtaining a technical result.

В одном из частных вариантов исполнения, полезная модель состоит из секторной антенны, расположенной вертикально, Wi-Fi модуля и (или) приемо-передатчика роутера имеющего разъемы для подключения кабелей для передачи данных и питания устройства, световые индикаторы режимов работы, защитного корпуса из проводящего или непроводящего материала и лицевую панель из радиопрозрачного материала с нанесенными на нее планарными директорами.In one of the private embodiments, the utility model consists of a sector antenna located vertically, a Wi-Fi module and (or) a transmitter-receiver of the router having connectors for connecting data and power cables of the device, indicator lights of operating modes, a protective housing made of conductive or non-conductive material and a front panel of radiolucent material coated with planar directors.

Основным элементом антенны является печатная плата 4 (см. Фиг. 5), выполненная из диэлектрического материала с нанесенными на нее металлизированными активными щелевыми двухполяризационными вибраторами 5 с одной стороны и питающих их микрополосковых линий 10 с другой. Активные щелевые вибраторы 5 (см. Фиг. 5) представляют собой крестообразные прорези в металлизации печатной платы и имеют длину около 0,5λ, где λ - длина волны излучаемого сигнала на рабочей частоте. Активные вибраторы расположены друг от друга на расстоянии около 0,5λ и соединены с приемопередающим модулем 11, а также синфазно между собой посредством емкостной связи микрополосковыми линиями питания 10. Активные вибраторы имеют возможность работать в двух ортогональных плоскостях линейной поляризации, плоскости которых расположены под углом 45° к продольной оси антенны. Это позволяет обеспечить функционирование двух приемно-передающих каналов, предназначенных для пространственного разнесения каналов по поляризациям и полноценного использования MIMO технологии.The main element of the antenna is a printed circuit board 4 (see Fig. 5) made of a dielectric material with metallized active slotted bipolarization vibrators 5 applied on it on one side and microstrip lines 10 feeding them on the other. Active slot vibrators 5 (see Fig. 5) are cross-shaped slots in the metallization of the printed circuit board and have a length of about 0.5λ, where λ is the wavelength of the emitted signal at the operating frequency. Active vibrators are located at a distance of about 0.5λ from each other and are connected to the transceiver module 11, as well as in-phase with each other through capacitive coupling with microstrip power lines 10. Active vibrators are able to operate in two orthogonal planes of linear polarization, the planes of which are located at an angle of 45 ° to the longitudinal axis of the antenna. This allows you to ensure the operation of two transmitting and receiving channels designed for spatial separation of channels by polarization and full use of MIMO technology.

Для расширения рабочей полосы частот и формирования необходимой диаграммы направленности над активными щелевыми вибраторами могут быть расположены пассивные вибраторы прямоугольной или иной формы, имеющие размеры 0,4λ, расположенные параллельно активным на высоте около 0,12λ на печатной плате 8 (см. Фиг. 3 и Фиг. 4), являющейся одновременно защитной крышкой корпуса антенны.To expand the working frequency band and generate the necessary radiation pattern above the active slotted vibrators, rectangular or other passive vibrators with dimensions of 0.4λ located parallel to the active ones at a height of about 0.12λ on the circuit board 8 can be located (see Fig. 3 and Fig. 4), which is simultaneously a protective cover of the antenna body.

Плата антенны 4 установлена вдоль продольной оси проводящего корпуса 6 (см. Фиг. 3) на расстоянии 0,2λ от дна корпуса, являющегося также отражателем антенны. Крепление платы 4 в корпусе 6 осуществляется за счет размещения платы, в пазах корпуса. С лицевой стороны корпус имеет прямоугольные окна размерами 0,9λ*0,9λ, расположенные точно над активными излучающими вибраторами. Данные окна, в свою очередь, закрываются панелью 8, представляющей собой печатную плату из радиопрозрачного материала с нанесенными на нее с одной стороны паразитными проводящими вибраторами, расположенными точно над активными, и имеющими размеры, как уже было сказано, 0,4λ*0,4λ. Корпус с торцов закрывается декоративными панелями 9 из проводящего или непроводящего материала.The antenna board 4 is installed along the longitudinal axis of the conductive housing 6 (see Fig. 3) at a distance of 0.2λ from the bottom of the housing, which is also a reflector of the antenna. The board 4 is fixed in the case 6 by placing the board in the grooves of the case. On the front side, the case has rectangular windows measuring 0.9λ * 0.9λ, located exactly above the active emitting vibrators. These windows, in turn, are closed by a panel 8, which is a printed circuit board made of radiolucent material with parasitic conductive vibrators deposited on it on one side, located exactly above the active ones and having dimensions, as already mentioned, of 0.4λ * 0.4λ . The housing from the ends is closed with decorative panels 9 of a conductive or non-conductive material.

Рассмотрим работу одного из частных вариантов исполнения предлагаемого устройства, показанного на Фиг. 3-5 на прием.Consider the operation of one of the private embodiments of the proposed device, shown in FIG. 3-5 at the reception.

За счет линейного расположения четырех антенных элементов, состоящих из активных вибраторов 5 и пассивных 8 на расстоянии 0,5λ друг от друга, у антенны формируется секторная диаграмма направленности, обеспечивающая пространственную фильтрацию принимаемого сигнала. Падающая электромагнитная волна преимущественно под углами ±35° в горизонтальной плоскости и ±12° в вертикальной возбуждает в массиве синфазно-соединенных вибраторов 5 секторной антенны токи высокой частоты. За счет синфазного соединения вибраторов, наведенный сигнал суммируется и по микрополосковым проводникам 10 поступает на вход радиомодуля Wi-Fi роутера 11, где он преобразуется в цифровую информацию.Due to the linear arrangement of four antenna elements, consisting of active vibrators 5 and passive 8 at a distance of 0.5λ from each other, a sector beam pattern is formed at the antenna, which provides spatial filtering of the received signal. The incident electromagnetic wave mainly at angles of ± 35 ° in the horizontal plane and ± 12 ° in the vertical excites high-frequency currents in the array of in-phase connected vibrators 5 of the sector antenna. Due to the in-phase connection of the vibrators, the induced signal is summed and transmitted via microstrip conductors 10 to the input of the Wi-Fi radio module of the router 11, where it is converted to digital information.

При работе устройства на передачу, с цифрового устройства (ЭВМ и т.п.) передается информация на вход Wi-Fi роутера 11. Полученный в результате преобразования сигнал с выхода радиомодуля Wi-Fi роутера 11 по микрополосковым печатным проводникам 10 попадает на антенные элементы секторной антенны, образованные активными щелевыми вибраторами 5 и пассивными 8, которые работают синфазно и возбуждают в пространстве электромагнитную волну, преимущественно под углами ±35° в горизонтальной плоскости и ±12° в вертикальной, что обеспечивает достижение технического результата.When the device is transmitting, information is transmitted from the digital device (computer, etc.) to the input of the Wi-Fi router 11. The resulting signal from the output of the Wi-Fi radio module of the router 11 is transmitted via microstrip printed wires 10 to the sector antenna elements antennas formed by active slot vibrators 5 and passive 8, which work in phase and excite an electromagnetic wave in space, mainly at angles of ± 35 ° in the horizontal plane and ± 12 ° in the vertical, which ensures the achievement of a technical result.

Claims

A directional sector antenna containing four vertically arranged radiating antenna elements, each of which contains two active slot vibrators of polarization orthogonal to each other, having a length of 0.5λ, and a passive vibrator of 0.4λ in size, located above the active vibrator at a height of 0.12λ, with this antenna elements are located at a distance of about 0.5λ from each other, where λ is the wavelength of the emitted signal at the operating frequency.