RU172145U1

RU172145U1 - BROADBAND DIRECTED ANTENNA WITH TWO ORTHOGONAL POLARIZATIONS

Info

Publication number: RU172145U1
Application number: RU2016152816U
Authority: RU
Inventors: Сергей Геннадьевич Сычугов; Алексей Львович Коновалов
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Научно-Производственное Предприятие Антэкс"
Priority date: 2016-12-30
Filing date: 2016-12-30
Publication date: 2017-06-29

Abstract

Полезная модель относится к антенной технике и может быть использована в качестве самостоятельной двухвходовой антенны, облучателя зеркальной антенны или элемента двухвходовой антенной решетки, имеющих две ортогональные поляризации. В частности, полезная модель может быть использована в качестве приемопередающей антенны в системах беспроводной передачи данных стандарта LTE. Антенна состоит из пяти проводящих пластин, расположенных друг над другом, входов/выходов, по крайней мере двух контактных площадок, по крайней мере двух проводников, расположенных между двумя нижними пластинами, причем по крайней мере одна из пластин имеет прямоугольную форму, первый проводник соединяется с пластиной одним концом через перемычку, а другим концом - с одним входом/выходом антенны через контактную площадку, второй проводник соединяется с этой же пластиной обоими концами через перемычки и к второму проводнику, через контактную площадку, подключен другой вход/выход антенны. Технический результат заключается в увеличении направленности широкополосной антенны с двумя ортогональными поляризациями. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.The invention relates to antenna technology and can be used as an independent two-input antenna, a reflector of a mirror antenna, or an element of a two-input antenna array having two orthogonal polarizations. In particular, the utility model can be used as a transceiver antenna in LTE wireless data transmission systems. The antenna consists of five conductive plates located one above the other, inputs / outputs, at least two contact pads, at least two conductors located between the two lower plates, and at least one of the plates has a rectangular shape, the first conductor is connected to the plate with one end through the jumper, and the other end with one input / output of the antenna through the contact pad, the second conductor is connected to the same plate with both ends through jumpers and to the second conductor, through the contact a different pad, another input / output of the antenna is connected. The technical result consists in increasing the directivity of a broadband antenna with two orthogonal polarizations. 5 cp f-ly, 2 ill.

Description

Полезная модель относится к антенной технике и может быть использована в качестве самостоятельной двухвходовой антенны, облучателя зеркальной антенны или элемента двухвходовой антенной решетки, имеющих две ортогональные поляризации. В частности, полезная модель может быть использована в качестве приемопередающей антенны в системах беспроводной передачи данных стандарта LTE.The invention relates to antenna technology and can be used as an independent two-input antenna, a reflector of a mirror antenna, or an element of a two-input antenna array having two orthogonal polarizations. In particular, the utility model can be used as a transceiver antenna in LTE wireless data transmission systems.

Из существующего уровня техники известен патент US 5949376 А «Dual polarization patch antenna» (опубликован 07.09.1999). Антенна содержит две питающие линии, расположенные под углом 90 градусов на печатной плате и служащие для возбуждения щели, вырезанной на земельном слое платы. Излучение от щели возбуждает ортогональные токи на патче, расположенном над печатной платой.From the existing level of technology known patent US 5949376 A "Dual polarization patch antenna" (published 07.09.1999). The antenna contains two supply lines located at an angle of 90 degrees on the printed circuit board and used to excite the slit cut on the ground layer of the board. Radiation from the slit excites orthogonal currents on a patch located above the printed circuit board.

Недостатком данной антенны является низкий КПД ввиду использования печатной платы.The disadvantage of this antenna is its low efficiency due to the use of a printed circuit board.

Наиболее близким аналогом антенны является RU 118474 U1 (опубликовано 20.07.2012) - широкополосная полосковая антенна с двойной поляризацией. Широкополосная полосковая антенна с двойной поляризацией содержит три пластины прямоугольной или квадратной формы, образующие излучающую систему, два входа приемопередатчиков, пластины разделены между собой стойками, причем антенна имеет первый и второй входы, выполненные в виде проводников, первый приемопередатчик через согласующую полосковую линию соединен с входом второй полосковой линии, которая является возбуждающей колебания одной поляризации антенны; причем возбуждающая линия другим концом подключена к средней пластине и расположена между средней и нижней пластинами; второй приемопередатчик через полосковую или коаксиальную линию соединен напрямую с центром соседней стороны средней пластины для возбуждения колебаний в другой поляризации антенны.The closest analogue of the antenna is RU 118474 U1 (published July 20, 2012) - a dual-polarized broadband strip antenna. A double polarized broadband strip antenna contains three rectangular or square plates forming a radiating system, two transceiver inputs, the plates are separated by racks, the antenna having first and second inputs made in the form of conductors, the first transceiver is connected to the input via a matching strip line a second strip line, which is an exciting oscillation of one polarization of the antenna; moreover, the exciting line at the other end is connected to the middle plate and is located between the middle and lower plates; the second transceiver through a strip or coaxial line is connected directly to the center of the adjacent side of the middle plate to excite oscillations in a different polarization of the antenna.

Недостатком данной антенны является низкая направленность, обусловленная малым количеством излучающих элементов.The disadvantage of this antenna is its low directivity, due to the small number of radiating elements.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является увеличение направленности широкополосной антенны с двумя ортогональными поляризациями.The technical result of the proposed utility model is to increase the directivity of a broadband antenna with two orthogonal polarizations.

Для достижения указанного технического результата предлагается широкополосная направленная антенна с двумя ортогональными поляризациями, состоящая из пяти проводящих пластин, расположенных друг над другом, входов/выходов, по крайней мере двух контактных площадок, по крайней мере двух проводников, расположенных между двумя нижними пластинами, причем по крайней мере одна из пластин имеет прямоугольную форму, первый проводник соединяется с пластиной одним концом через перемычку, а другим концом - с одним входом/выходом антенны через контактную площадку, второй проводник соединяется с этой же пластиной обоими концами через перемычки и к второму проводнику, через контактную площадку, подключен другой вход/выход антенны.To achieve this technical result, a broadband directional antenna with two orthogonal polarizations is proposed, consisting of five conductive plates located one above the other, inputs / outputs, at least two contact pads, at least two conductors located between two lower plates, and at least one of the plates has a rectangular shape, the first conductor is connected to the plate with one end through a jumper, and the other end with one input / output of the antenna through Comp act pad, the second conductor is connected to the same plate at both ends and through the jumper to the second conductor through the contact pad, is connected the other input / output antenna.

Длина обоих проводников составляет около половины длины волны, при этом оба проводника расположены между двумя нижними пластинами и соединяются с верхней из них. Один проводник проходит под центром этой пластины и соединяется с ней одним концом через перемычку в середине одной из сторон пластины, а другим концом - с одним входом/выходом антенны через контактную площадку. Второй проводник расположен параллельно первому и соединяется с этой же пластиной обеими концами через перемычки в краях соседней стороны пластины, а к его середине, через контактную площадку, подключен другой вход/выход антенны.The length of both conductors is about half the wavelength, while both conductors are located between the two lower plates and are connected to the upper one. One conductor passes under the center of this plate and connects to it with one end through a jumper in the middle of one of the sides of the plate, and with the other end - with one input / output of the antenna through the contact area. The second conductor is parallel to the first one and is connected to the same plate by both ends through jumpers in the edges of the adjacent side of the plate, and another antenna input / output is connected to its middle, through the contact pad.

Первая проводящая пластина является экраном, над которым располагается вторая проводящая пластина, представляющая активный элемент. Первая и вторая пластины образуют полосковый резонатор, в котором возможно возбудить два ортогональных поля в рабочем диапазоне антенны. Третья пластина располагается над второй, является пассивным элементом антенны и предназначена для расширения полосы рабочих частот антенны. Четвертая пластина располагается над третьей и предназначена для повышения направленности антенны. Все пять пластин образуют излучающую систему антенны. Проводники, перемычки, контактные площадки образуют систему возбуждения ортогональных полей в резонаторе, что позволяет антенне излучать/принимать электромагнитные волны с ортогональными поляризациями.The first conductive plate is a screen over which a second conductive plate representing the active element is located. The first and second plates form a strip resonator, in which it is possible to excite two orthogonal fields in the operating range of the antenna. The third plate is located above the second, is a passive element of the antenna and is designed to expand the band of operating frequencies of the antenna. The fourth plate is located above the third and is designed to increase the directivity of the antenna. All five plates form a radiating antenna system. Conductors, jumpers, contact pads form an excitation system of orthogonal fields in the resonator, which allows the antenna to emit / receive electromagnetic waves with orthogonal polarizations.

Форма как минимум трех пластин может быть прямоугольной, или эллиптической, или более сложной, имеющей как минимум две плоскости симметрии. Все элементы антенны могут быть выполнены из одинакового листового проводящего материала, с одинаковым способом обработки. Для повышения жесткости в конструкции антенны могут быть использованы стойки, которые одновременно будут удерживать пластины на требуемом расстоянии между друг другом. 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.The shape of at least three plates can be rectangular, or elliptical, or more complex, having at least two planes of symmetry. All antenna elements can be made of the same sheet conductive material, with the same processing method. To increase rigidity, racks can be used in the antenna structure that simultaneously hold the plates at the required distance between each other. 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 (Фиг. 1 и Фиг. 2).The essence of the utility model is illustrated by drawings (Fig. 1 and Fig. 2).

На Фиг. 1 представлен эскиз варианта антенны, содержащий пять пластин и шесть держателей.In FIG. 1 is a sketch of an antenna embodiment comprising five plates and six holders.

На Фиг. 2 представлен эскиз варианта антенны, содержащий пять пластин, четыре держателя, на одном из проводников содержится элемент в виде кольца, где:In FIG. 2 shows a sketch of a variant of the antenna, containing five plates, four holders, one of the conductors contains an element in the form of a ring, where:

1 - первая пластина (экран),1 - the first plate (screen),

2 - вторая пластина (активный элемент),2 - the second plate (active element),

3 - третья пластина (пассивный элемент),3 - the third plate (passive element),

4 - дополнительные проводящие пластины (пассивные элементы),4 - additional conductive plates (passive elements),

5, 6 - контактные площадки,5, 6 - contact pads,

7 - держатели/стойки,7 - holders / racks,

8, 10 - проводники,8, 10 - conductors,

9, 13 - перемычки,9, 13 - jumpers,

11, 12 - входы/выходы антенн.11, 12 - inputs / outputs of antennas.

Расстояние между металлическими пластинами (2) и (1) может достигать 10% от длины волны в свободном пространстве. Размеры нижней пластины (1) могут значительно превысить длину волны на рабочей частоте, но должны быть не меньше, чем габариты пластины (2). Размеры пластины (2) составляют около половины длины волны. Размеры пластины (3) примерно равны размерам пластины (2). Площадь пластин (4) меньше площади пластины (3). Расстояние между пластиной (2) и (3) может составлять 4÷10% от длины волны. Расстояние между пластинами (3), (4) может составлять 5÷20% от длины волны. Проводник (8) установлен над экраном (1) и проходит под центром пластины (2), один его конец подключается к контактной площадке (6), а второй конец через перемычку (9) подключен к середине стороны пластины (2). Длина проводника (8) примерно равна половине длины волны, его поперечные размеры много меньше длины волны. Контактная площадка (5) подключена к середине проводника (10), параллельного проводнику (8), который подключен к краям пластины (2) посредством перемычек (13) на стороне, соседней к стороне подключения перемычки (9). Полюса одного входа/выхода находятся на контактной площадке (6) и экране (1), полюса другого входа/выхода находятся на площадке (5) и экране (1). Стойки/держатели (7) по фиг. 1 находятся: первая пара - между пластинами (1) и (2), вторая пара - между пластинами (2) и (3), одна штука - между пластинами (3) и (4), одна штука - между пластинами (4). При этом держатели первой пары стоят симметрично по обе стороны от проводника (8), а стойки второй пары находятся над стойками первой пары, остальные стойки расположены над центром пластины (2). Стойки (7) по фиг. 2 находятся: первая стойка - между пластинами (1) и (2), вторая стойка - между пластинами (2) и (3), третья стойка - между пластинами (3) и (4), четвертая стойка - между пластинами (4). При этом первая стойка находится под центром пластины (2), а остальные - над этим же центром, а проводник (8) имеет в середине элемент в виде кольца.The distance between the metal plates (2) and (1) can reach 10% of the wavelength in free space. The dimensions of the lower plate (1) can significantly exceed the wavelength at the operating frequency, but should not be less than the dimensions of the plate (2). The dimensions of the plate (2) are about half the wavelength. The dimensions of the plate (3) are approximately equal to the dimensions of the plate (2). The area of the plates (4) is less than the area of the plate (3). The distance between the plate (2) and (3) can be 4 ÷ 10% of the wavelength. The distance between the plates (3), (4) can be 5 ÷ 20% of the wavelength. A conductor (8) is mounted above the screen (1) and passes under the center of the plate (2), one end of it is connected to the contact area (6), and the other end is connected via a jumper (9) to the middle of the side of the plate (2). The length of the conductor (8) is approximately equal to half the wavelength, its transverse dimensions are much smaller than the wavelength. The contact area (5) is connected to the middle of the conductor (10) parallel to the conductor (8), which is connected to the edges of the plate (2) via jumpers (13) on the side adjacent to the connection side of the jumper (9). The poles of one input / output are located on the contact pad (6) and the screen (1), the poles of the other input / output are located on the pad (5) and the screen (1). Stands / Holders (7) of FIG. 1 are: the first pair - between the plates (1) and (2), the second pair - between the plates (2) and (3), one piece - between the plates (3) and (4), one piece - between the plates (4) . In this case, the holders of the first pair stand symmetrically on both sides of the conductor (8), and the posts of the second pair are above the posts of the first pair, the remaining posts are located above the center of the plate (2). The posts (7) of FIG. 2 there are: the first rack - between the plates (1) and (2), the second rack - between the plates (2) and (3), the third rack - between the plates (3) and (4), the fourth rack - between the plates (4) . In this case, the first rack is located under the center of the plate (2), and the rest above the same center, and the conductor (8) has in the middle an element in the form of a ring.

Антенна работает следующим образом.The antenna works as follows.

При подаче ВЧ-сигнала на контактную площадку (6) сигнал попадает на одну из сторон пластины (2) через полосковую линию, образованную проводником (8) и экраном (1) и через перемычку (9), противоположная же сторона пластины (2) питается через короткозамкнутый шлейф, образованный проводником (8), перемычкой (9) и пластиной (2), при этом длина проводника (8), равная половине длины волны на средней рабочей частоте, обеспечивает противофазное возбуждение сторон пластины (2) в широкой полосе частот, что приводит к возбуждению резонатора и пассивных элементов антенны. В результате антенна излучает электромагнитную волну, поляризованную примерно параллельно проводнику (8), преимущественно в направлении пассивных элементов.When applying the RF signal to the contact pad (6), the signal enters one of the sides of the plate (2) through the strip line formed by the conductor (8) and the shield (1) and through the jumper (9), the opposite side of the plate (2) is fed through a short-circuited loop formed by a conductor (8), a jumper (9) and a plate (2), while the length of the conductor (8), equal to half the wavelength at the average operating frequency, provides antiphase excitation of the sides of the plate (2) in a wide frequency band, which leads to the excitation of the resonator and passive elements a ntenny. As a result, the antenna emits an electromagnetic wave polarized approximately parallel to the conductor (8), mainly in the direction of the passive elements.

При подаче ВЧ-сигнала на контактную площадку (5) осуществляется синфазное питание краев одной стороны пластины (2) через проводник (10) и перемычки (13), это приводит к возбуждению в резонаторе поля с вариацией вдоль сторон пластины (2), соседствующих с стороной подключения перемычек (13). Связанные с резонатором пластины (3), (4) возбуждаются, и антенна излучает электромагнитную волну, поляризованную примерно перпендикулярно проводнику (8), преимущественно в направлении пассивных элементов.When the RF signal is applied to the contact pad (5), in-phase power is supplied to the edges of one side of the plate (2) through the conductor (10) and jumpers (13), this leads to field excitation in the resonator with variation along the sides of the plate (2) adjacent to the jumper side (13). The plates (3), (4) connected to the resonator are excited, and the antenna emits an electromagnetic wave polarized approximately perpendicular to the conductor (8), mainly in the direction of the passive elements.

Как говорилось выше: при подаче ВЧ-сигнала на контактную площадку (6) обеспечивается противофазное возбуждение сторон пластины (2) в широкой полосе частот. Данные стороны примыкают к стороне, к которой через перемычки (13) подключен проводник (10), к середине этого проводника подключен вход/выход (12), через контактную площадку (5). Расстояние от точек подключения перемычек (13) до входа выхода (12) одинаковое, и, следовательно, ВЧ-сигналы, пришедшие от противофазно возбужденных сторон пластины (2), компенсируют друг друга на входе/выходе (12).As mentioned above: when applying the RF signal to the contact pad (6), antiphase excitation of the sides of the plate (2) is ensured in a wide frequency band. These sides are adjacent to the side to which a conductor (10) is connected through jumpers (13), input / output (12) is connected to the middle of this conductor, via a contact pad (5). The distance from the connection points of the jumpers (13) to the input of the output (12) is the same, and, therefore, the RF signals coming from the antiphase excited sides of the plate (2) compensate each other at the input / output (12).

В результате антенна способна формировать излучение в одинаковом направлении, но с взаимно ортогональными поляризациями при возбуждении ее входов/выходов. Антенна может работать одновременно с двумя приемниками или двумя передатчиками и обеспечивать работу системы связи, использующую поляризационное разделение каналов распространения радиоволн. Также данная система может быть использована в антифединговых системах с поляризационным разносом антенн.As a result, the antenna is capable of generating radiation in the same direction, but with mutually orthogonal polarizations when its inputs / outputs are excited. The antenna can work simultaneously with two receivers or two transmitters and provide the communication system using polarization separation of the propagation channels of radio waves. Also, this system can be used in anti-fading systems with polarized antenna spacing.

Описанные варианты конструкций позволили получить следующие основные характеристики при реализации антенны в диапазоне частот 1700-1900 МГц:The described design options made it possible to obtain the following main characteristics when implementing the antenna in the frequency range 1700-1900 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 the 50 ohm coaxial line no more than 1.5;

- коэффициент усиления в указанном диапазоне частот 9.5÷10.5 дБ по отношению к изотропному излучателю;- gain in the indicated frequency range 9.5 ÷ 10.5 dB with respect to the isotropic emitter;

- развязка между входами антенны более 28 дБ;- isolation between the antenna inputs is more than 28 dB;

- уровень бокового излучения не более -18 дБ;- the level of side radiation is not more than -18 dB;

- отношение вперед/назад не менее 18 дБ;- forward / backward ratio of at least 18 dB;

- размеры антенны не более 130*130*80 мм.- the dimensions of the antenna are not more than 130 * 130 * 80 mm.

Указанный технический результат достигается за счет использования в конструкции антенны пяти проводящих пластин в совокупности со способом подключения антенны.The specified technical result is achieved through the use of five conductive plates in the design of the antenna in conjunction with the method of connecting the antenna.

Claims

1. A broadband directional antenna with two orthogonal polarizations, consisting of conductive plates located one above the other, and having inputs / outputs, wherein at least one of the plates has a rectangular shape, characterized in that it consists of five conductive plates, at least two contact pads, at least two conductors located between the two lower plates, the first conductor being connected to the plate with one end through a jumper, and the other end with one input / output of the antenna through the contact pad, the second conductor is connected to the same plate at both ends through jumpers and to the second conductor, through the contact pad, another antenna input / output is connected.

2. A broadband directional antenna with two orthogonal polarizations according to claim 1, characterized in that one of the conductors contains a ring-shaped element in the middle.

3. A broadband directional antenna with two orthogonal polarizations according to claim 1, characterized in that the three plates included in the antenna are made in a rectangular shape.

4. A broadband directional antenna with two orthogonal polarizations according to claim 1, characterized in that the three plates included in the antenna are elliptical in shape.

5. A broadband directional antenna with two orthogonal polarizations according to claim 1, characterized in that the three plates included in the antenna are made of complex shape with at least two planes of symmetry.

6. A broadband directional antenna with two orthogonal polarizations according to claim 1, characterized in that it is placed in a dielectric box.