RU2253925C2 - Multilevel antenna - Google Patents
Multilevel antenna Download PDFInfo
- Publication number
- RU2253925C2 RU2253925C2 RU2002110442/09A RU2002110442A RU2253925C2 RU 2253925 C2 RU2253925 C2 RU 2253925C2 RU 2002110442/09 A RU2002110442/09 A RU 2002110442/09A RU 2002110442 A RU2002110442 A RU 2002110442A RU 2253925 C2 RU2253925 C2 RU 2253925C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- antenna according
- antenna
- multilevel structure
- multilevel
- elements
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Данное изобретение относится к области антенн и более точно касается антенн, образованных наборами подобных геометрических элементов (многоугольников, многогранников), связанных электромагнитно и сгруппированных так, что в структуре антенны можно различать каждый из основных элементов, образующих ее.This invention relates to the field of antennas and more specifically relates to antennas formed by sets of similar geometric elements (polygons, polyhedrons), connected electromagnetically and grouped so that each of the main elements forming it can be distinguished in the structure of the antenna.
Изобретение относится к специальной геометрической конструкции, с помощью которой обеспечиваются два основных преимущества: антенна может работать одновременно на нескольких частотах и/или можно значительно сократить ее размеры.The invention relates to a special geometric design, with the help of which two main advantages are provided: the antenna can operate simultaneously at several frequencies and / or its size can be significantly reduced.
Настоящее изобретение применяется в основном в области телекоммуникаций, в частности, в радиосвязи.The present invention is applied mainly in the field of telecommunications, in particular in radio communications.
Антенны были впервые разработаны в конце девятнадцатого столетия, после того, как Джеймс К. Максвелл в 1864 году сформулировал основные законы электромагнетизма. Генрих Герц изобрел первую антенну в 1886 году, с помощью которой была продемонстрирована передача электромагнитных волн. В 1940-х годах были показаны основные ограничения антенн относительно уменьшения их размеров относительно длины волны, а в начале 1960-х годов появились первые не зависящие от частоты антенны. В это время в качестве конструкций широкополосных антенн были предложены спирали, логопериодические группы, конуса и структуры, заданные только углами.Antennas were first developed at the end of the nineteenth century, after James C. Maxwell formulated the basic laws of electromagnetism in 1864. Heinrich Hertz invented the first antenna in 1886, with which the transmission of electromagnetic waves was demonstrated. In the 1940s, the main limitations of the antennas were shown regarding the reduction of their size relative to the wavelength, and in the early 1960s the first frequency-independent antennas appeared. At this time, spiral structures, log-periodic groups, cones and structures defined only by angles were proposed as designs for broadband antennas.
В 1995 г. стал известен фрактальный или мультифрактальный тип антенн (патент Испании ES-A-9501019), которые за счет их геометрической формы имели многочастотные характеристики и в определенных случаях также небольшие размеры. Позднее были предложены мультитреугольные антенны (патент Испании ES-A-9800954), которые могли одновременно работать в диапазонах GSM 900 и GSM 1800.In 1995, the fractal or multifractal type of antennas became known (Spanish patent ES-A-9501019), which due to their geometric shape had multi-frequency characteristics and, in certain cases, also small sizes. Later, multi-triangular antennas were proposed (Spanish patent ES-A-9800954), which could simultaneously work in the GSM 900 and GSM 1800 bands.
Антенны, предложенные в данном изобретении, в качестве предшествующего уровня техники имеют антенны фрактального и мультитреугольного типа, однако за счет своих существенных признаков позволяют решать многие проблемы практического характера, которые ограничивали характеристики антенн из уровня техники и уменьшали возможности их практического применения.The antennas proposed in this invention, as the prior art, have antennas of a fractal and multi-triangular type, however, due to their essential features, they can solve many practical problems that limited the characteristics of the antennas from the prior art and reduced the possibility of their practical use.
С научной точки зрения выполнение идеально фрактальных антенн невозможно, поскольку фрактальные объекты являются математической абстракцией, которая включает бесконечное число элементов. Можно создать антенны с формой, основанной на указанных фрактальных объектах, включающей конечное число итераций. Свойства таких антенн ограничены специфичной геометрической формой каждой из них. Например, значение диапазонов частот и их относительное расположение связаны с геометрией фракталов, поэтому не всегда возможно сконструировать практичные и экономичные антенны, сохраняющие свой фрактальный тип и в то же время имеющие рабочие диапазоны частот в требуемых зонах радиоэлектрического спектра. Например, разветвление представляет собой наглядный пример ограничений, возникающих при использовании реальной антенны фрактального типа, которая приближается к теоретическим характеристикам идеальной фрактальной антенны. Указанный эффект переводит характеристики идеальной фрактальной структуры на более низкий диапазон частот, смещая его из теоретически рассчитанной области в область других диапазонов, и приводит к тому, что для практического применения необходима антенна слишком большого размера, что является существенным ограничением.From a scientific point of view, the implementation of perfectly fractal antennas is impossible, since fractal objects are a mathematical abstraction, which includes an infinite number of elements. You can create antennas with a shape based on these fractal objects, including a finite number of iterations. The properties of such antennas are limited by the specific geometric shape of each of them. For example, the value of frequency ranges and their relative location are related to the geometry of fractals, therefore it is not always possible to construct practical and economical antennas that retain their fractal type and at the same time have working frequency ranges in the required areas of the radioelectric spectrum. For example, branching is a good example of the limitations that arise when using a real fractal type antenna, which approaches the theoretical characteristics of an ideal fractal antenna. The indicated effect transfers the characteristics of the ideal fractal structure to a lower frequency range, shifting it from a theoretically calculated region to the region of other ranges, and leads to the fact that for practical application an antenna of too large size is required, which is a significant limitation.
Дополнительно к этим практическим ограничениям не всегда возможно изменить известную из уровня техники фрактальную структуру для обеспечения полного сопротивления и диаграммы излучения, которые бы отвечали требованиям различного вида применения этих антенн. Из-за названных причин часто приходится отходить от фрактальной геометрии и обращаться к другим типам геометрии, которые обеспечивают большую гибкость в отношении положения диапазонов частот антенн, уровней согласования полных сопротивлений, диаграмм поляризации и излучения.In addition to these practical limitations, it is not always possible to change the fractal structure known from the prior art to provide impedance and radiation patterns that would meet the requirements of various types of applications of these antennas. For these reasons, it is often necessary to move away from fractal geometry and turn to other types of geometry, which provide greater flexibility with respect to the position of antenna frequency ranges, impedance matching levels, polarization and radiation diagrams.
Были предложены мультитреугольные структуры (патент Испании ES-A-9800954), которые были примером не фрактальных структур с геометрией, выполненной так, что антенны можно использовать в базовых станциях сотовой телефонной связи стандартов GSM и DCS. Антенны, раскрытые в указанном патенте, состоят из трех треугольников, соединенных только в их вершинах, с размерами, соответствующими требованиям, предъявляемым для использования в диапазонах 890-960 МГц и 1710-1880 МГц. Это было узко специализированное решение для конкретных условий применения, и оно же обеспечивало гибкость и универсальность, необходимые для конструкций антенн для других условий применения.Multi-triangular structures have been proposed (Spanish patent ES-A-9800954), which were an example of non-fractal structures with a geometry such that the antennas can be used in GSM and DCS cellular base stations. The antennas disclosed in this patent consist of three triangles connected only at their vertices, with dimensions corresponding to the requirements for use in the ranges 890-960 MHz and 1710-1880 MHz. It was a narrowly specialized solution for specific applications, and it also provided the flexibility and versatility necessary for antenna designs for other applications.
Предложенные в рамках настоящего изобретения многоуровневые антенны устраняют указанные ограничения по условиям применения, присущие фрактальным и мультитреугольным системам. Их геометрия является более гибкой и разнообразной, обеспечивающей работу антенны в двух и более диапазонах. Предложенная геометрия обеспечивает большую гибкость в отношении диаграмм, расположения диапазонов и уровней полного сопротивления, а также дает ряд других преимуществ. Хотя многоуровневые антенны не являются фрактальными, они характеризуются тем, что содержат множество элементов, которые можно различать в общей структуре. За счет того, что они четко показывают несколько уровней детализации (детализации всей структуры и детализации отдельных элементов, которые ее составляют), многоуровневые антенны обеспечивают многодиапазонные характеристики и/или небольшие размеры. Их наименование также отражает указанное свойство.Proposed in the framework of the present invention, multi-level antennas eliminate these restrictions on the conditions of use inherent in fractal and multi-triangular systems. Their geometry is more flexible and diverse, ensuring the operation of the antenna in two or more ranges. The proposed geometry provides greater flexibility with respect to diagrams, the arrangement of ranges and levels of impedance, and also gives a number of other advantages. Although multilevel antennas are not fractal, they are characterized in that they contain many elements that can be distinguished in the overall structure. Due to the fact that they clearly show several levels of detail (details of the entire structure and details of the individual elements that make it up), multi-level antennas provide multi-band characteristics and / or small sizes. Their name also reflects the indicated property.
Данное изобретение состоит из антенны, излучающий элемент которой характеризуется своей геометрической формой, которая содержит в основном многоугольники или многогранники одного и того же типа. То есть, он содержит, например, треугольники, квадраты, пятиугольники, шестиугольники или даже круги и эллипсы в качестве предельного случая многоугольников с большим числом сторон, а также четырехгранники, шестигранники, призмы, двенадцатигранники и т.д., соединенные друг с другом электрически или электромагнитно (по меньшей мере через одну точку контакта или через небольшой разрыв, обеспечивающий емкостную связь) и сгруппированные в структуры более высокого уровня, так что в теле антенны можно идентифицировать многоугольные или многогранные элементы, которые его составляют. В свою очередь, структуры, созданные таким образом, могут быть сгруппированы в структуры еще более высокого порядка, аналогично основным элементам, и так далее до достижения такого числа уровней, которое желательно для конструктора антенны.This invention consists of an antenna, the radiating element of which is characterized by its geometric shape, which contains mainly polygons or polyhedra of the same type. That is, it contains, for example, triangles, squares, pentagons, hexagons or even circles and ellipses as a limiting case of polygons with a large number of sides, as well as tetrahedrons, hexagons, prisms, duodes, etc., connected electrically to each other or electromagnetically (through at least one contact point or through a small gap providing capacitive coupling) and grouped into structures of a higher level, so that polygonal or multi TED elements that make it up. In turn, the structures created in this way can be grouped into structures of an even higher order, similar to the basic elements, and so on, until the number of levels that is desirable for the antenna designer is reached.
Обозначение предложенной антенны, как многоуровневой антенной обусловлено как раз тем фактом, что в теле антенны можно идентифицировать по меньшей мере два уровня детализации: детализации всей структуры и детализации большинства составляющих ее элементов (многоугольников или многогранников). Это достигается за счет обеспечения того, что зона контакта или пересечения (если она существует) между большинством образующих антенну элементов является только некоторой частью периметра или окружающей зоны указанных многоугольников или многогранников.The designation of the proposed antenna as a multi-level antenna is due precisely to the fact that at least two levels of detail can be identified in the antenna body: details of the entire structure and details of most of its constituent elements (polygons or polyhedra). This is achieved by ensuring that the contact or intersection zone (if it exists) between most of the elements forming the antenna is only some part of the perimeter or surrounding area of these polygons or polyhedra.
Особенным свойством многоуровневой антенны является то, что ее радиоэлектрические характеристики могут быть аналогичными в нескольких частотных диапазонах. Входные параметры антенны (полное сопротивление и диаграмма направленности) остаются аналогичными в нескольких частотных диапазонах (то есть, антенна имеет одинаковый уровень согласования или коэффициента стоячей волны в каждом отдельном диапазоне). В большом числе случаев предложенная антенна имеет почти идентичную диаграмму излучения при разных частотах. Это обеспечивается многоуровневой структурой антенны, то есть тем фактом, что в антенне сохраняется возможность идентификации в ней большинства составляющих ее основных элементов (многоугольников или многогранников одного типа). Число частотных диапазонов пропорционально числу масштабов или размеров многоугольных элементов или подобных наборов, в которые они сгруппированы, содержащихся в геометрии основного излучающего элемента.A special property of a multilevel antenna is that its radioelectric characteristics can be similar in several frequency ranges. The antenna input parameters (impedance and radiation pattern) remain similar in several frequency ranges (that is, the antenna has the same level of matching or standing wave coefficient in each individual range). In a large number of cases, the proposed antenna has an almost identical radiation pattern at different frequencies. This is ensured by the multilevel structure of the antenna, that is, the fact that the antenna retains the possibility of identifying in it the majority of its main elements (polygons or polyhedra of the same type). The number of frequency ranges is proportional to the number of scales or sizes of polygonal elements or similar sets into which they are grouped, contained in the geometry of the main radiating element.
Дополнительно к их многодиапазонным характеристикам, предложенные антенны с многоуровневой структурой обычно имеют меньшие размеры по сравнению с другими антеннами с более простыми структурами (такими, как состоящими из одного многоугольника или одного многогранника). Это обусловлено тем, что путь прохождения электрического тока в многоуровневых структурах является более длинным и имеет больше витков, чем при простой геометрии из-за пустых пространств между различными многоугольными или многогранными элементами. Эти пустые пространства принудительно задают путь для тока (который должен обходить указанные пространства), который проходит большее расстояние и поэтому резонирует на более низкой частоте. Дополнительно к этому, ее насыщенная многочисленными кромками и разрывами структура упрощает процесс излучения, за счет увеличения сопротивления излучения антенны и уменьшения добротности Q, т.е. увеличения ширины ее полосы пропускания.In addition to their multiband characteristics, the proposed antennas with a multilevel structure are usually smaller than other antennas with simpler structures (such as those consisting of one polygon or one polyhedron). This is due to the fact that the path of electric current in multilevel structures is longer and has more turns than with simple geometry due to the empty spaces between different polygonal or polyhedral elements. These empty spaces force the path for the current (which should bypass the indicated spaces), which travels a greater distance and therefore resonates at a lower frequency. In addition, its structure saturated with numerous edges and discontinuities simplifies the radiation process by increasing the radiation resistance of the antenna and decreasing the quality factor Q, i.e. increasing its bandwidth.
Таким образом, основными признаками предложенной многоуровневой антенны являются:Thus, the main features of the proposed multilevel antenna are:
- многоуровневая геометрия, содержащая многоугольники или многогранники одного и того же класса, электромагнитно связанные и сгруппированные с образованием большой структуры. В многоуровневой геометрии большинство из этих элементов четко различимы, поскольку протяженность зоны их контакта, пересечения или взаимного соединения (если таковые имеются) с другими элементами всегда меньше 50 % их периметра;- multilevel geometry containing polygons or polyhedra of the same class, electromagnetically coupled and grouped to form a large structure. In multilevel geometry, most of these elements are clearly distinguishable, since the length of the zone of their contact, intersection, or mutual connection (if any) with other elements is always less than 50% of their perimeter;
- радиоэлектрические характеристики, обусловленные геометрией: многоуровневые антенны могут иметь многодиапазонные характеристики (идентичные или подобные для нескольких частотных диапазонов) и/или работать на пониженной частоте, что позволяет уменьшить их размеры.- radioelectric characteristics due to geometry: multi-level antennas can have multi-band characteristics (identical or similar for several frequency ranges) and / or operate at a reduced frequency, which allows them to be reduced in size.
Из уровня техники известны описания некоторых конструкций антенн, которые обеспечивают перекрытие нескольких диапазонов. Однако в этих конструкциях многодиапазонные характеристики достигаются посредством группирования нескольких одно-диапазонных антенн или посредством встраивания реактивных элементов в антенны (сосредоточенных элементов, таких как индуктивности или конденсаторы, или их интегрированные версии, такие как штыри или прорези), которые принудительно вызывают появление новых резонансных частот. В противоположность этому, характеристики многоуровневых антенн основываются на их особой геометрии, что обеспечивает конструктору антенн большую гибкость относительно числа диапазонов (пропорционально числу уровней элементов), расположения, относительных расстояний и ширины, за счет чего обеспечиваются более высокие и более разнообразные характеристики проектируемой антенны.The prior art describes some antenna designs that provide overlapping of several ranges. However, in these designs, multi-band characteristics are achieved by grouping several single-band antennas or by incorporating reactive elements into antennas (lumped elements such as inductors or capacitors, or their integrated versions, such as pins or slots), which force the appearance of new resonant frequencies . In contrast, the characteristics of multilevel antennas are based on their special geometry, which provides the antenna designer with greater flexibility with respect to the number of ranges (proportional to the number of element levels), location, relative distances and widths, thereby providing higher and more diverse characteristics of the designed antenna.
Многоуровневую структуру можно использовать в любой известной конфигурации антенн. В качестве не ограничивающего примера можно назвать: диполи, несимметричный вибратор, накладные и микрополосковые антенны, копланарные антенны, зеркальные антенны, витые антенны или даже антенные решетки. Конкретная технология изготовления не является существенной для многоуровневых антенн согласно изобретению, поскольку можно использовать наиболее подходящую технологию для каждой структуры или каждого применения. Например, можно использовать следующие технологии: печать на диэлектрической подложке с помощью фотолитографии (технологии печатных плат), штамповка из металлических пластин, оттиск на диэлектрике.A layered structure can be used in any known antenna configuration. A non-limiting example is: dipoles, unbalanced vibrators, patch and microstrip antennas, coplanar antennas, mirror antennas, twisted antennas or even antenna arrays. A specific manufacturing technique is not essential for the multi-level antennas according to the invention, since the most suitable technology for each structure or each application can be used. For example, you can use the following technologies: printing on a dielectric substrate using photolithography (printed circuit board technology), stamping from metal plates, dielectric imprint.
В публикации WO 97/06578 раскрыта фрактальная антенна, которая не имеет существенных общих признаков с многоуровневой антенной согласно изобретению, поскольку обе имеют по существу разную геометрию.WO 97/06578 discloses a fractal antenna that does not have significant common features with the multilevel antenna according to the invention, since both have essentially different geometries.
Другие признаки и преимущества устройства по настоящему изобретению следуют из приведенного ниже подробного описания конкретного предпочтительного варианта выполнения изобретения, приведенного только в целях иллюстрации и не являющегося ограничением изобретения, которое ведется со ссылками на фигуры, на которых:Other features and advantages of the device of the present invention result from the following detailed description of a specific preferred embodiment of the invention, given for purposes of illustration only and not limiting the invention, which is carried out with reference to the figures in which:
фиг.1 изображает конкретный пример многоуровневого элемента, содержащего только треугольные многоугольники;figure 1 depicts a specific example of a multilevel element containing only triangular polygons;
фиг.2 - примеры сборки многоуровневых антенн в нескольких конфигурациях: несимметричный вибратор (2.1), диполь (2.2), накладка (2.3), копланарная антенна (2.4), рупор (2.5-2.6) и решетка (2.7);figure 2 - examples of the assembly of multi-level antennas in several configurations: asymmetric vibrator (2.1), dipole (2.2), plate (2.3), coplanar antenna (2.4), horn (2.5-2.6) and grating (2.7);
фиг.3 - примеры многоуровневых структур на основе треугольников;figure 3 - examples of multilevel structures based on triangles;
фиг.4 - примеры многоуровневых структур на основе параллелограмма;figure 4 - examples of multilevel structures based on a parallelogram;
фиг.5 - примеры многоуровневых структур на основе пятиугольников;figure 5 - examples of multilevel structures based on pentagons;
фиг.6 - примеры многоуровневых структур на основе шестиугольников;6 - examples of multilevel structures based on hexagons;
фиг.7 - многоуровневые структуры на основе многогранников;7 is a multilevel structure based on polyhedra;
фиг.8 - пример многоуровневой антенны с накладной конфигурацией для специального рабочего режима базовых станций GSM (900 МГц) и DCS (1800 МГц) сотовых телефонных систем;Fig. 8 is an example of a multi-level antenna with a patch configuration for the special operating mode of GSM (900 MHz) and DCS (1800 MHz) base stations of cellular telephone systems;
фиг.9 - график входных параметров (потери на отражение при сопротивлении 50 Ом) для многоуровневой антенны, показанной на фиг. 8;FIG. 9 is a graph of input parameters (reflection loss at a resistance of 50 ohms) for the multi-level antenna shown in FIG. 8;
фиг.10 - диаграммы направленности для многоуровневой антенны, показанной на фиг. 8, - в горизонтальной и вертикальной плоскостях;10 is a radiation pattern for the multilevel antenna shown in FIG. 8, - in horizontal and vertical planes;
фиг.11 - пример многоуровневой антенны с несимметричной вибраторной конструкцией для специального рабочего режима внутренних систем беспроводной связи или для местной сети с радиодоступом;11 is an example of a multi-level antenna with an asymmetric vibrator design for a special operating mode of internal wireless communication systems or for a local radio access network;
фиг.12 - входные параметры (потери на отражение при сопротивлении 50 Ом) для многоуровневой антенны, показанной на фиг. 11;Fig - input parameters (reflection loss at a resistance of 50 Ohms) for the multi-level antenna shown in Fig. eleven;
фиг.13 - диаграммы направленности для многоуровневой антенны, показанной на фиг. 11.FIG. 13 is a radiation pattern for the multi-level antenna shown in FIG. eleven.
В приведенном ниже подробном описании данного изобретения используются ссылки на фигуры, на которых одинаковыми цифровыми позициями обозначены идентичные или подобные части.In the following detailed description of the present invention, references are made to figures in which identical or similar parts are denoted by the same numeric numerals.
Данное изобретение относится к антенне, которая включает по меньшей мере один конструкционный элемент в виде многоуровневой структуры. Многоуровневая структура характеризуется тем, что она образована путем собирания нескольких многоугольников или многогранников одного типа (например, треугольников, параллелограммов, пятиугольников, шестиугольников и т.д., даже кругов или эллипсов в качестве специальных предельных случаев многоугольника с большим числом сторон, а также четырехгранников, шестигранников, призм, двенадцатигранников т.д.), соединенных друг с другом электромагнитно за счет близкого расположения или посредством прямого контакта между элементами. Многоуровневая структура или фигура отличается от другой обычной фигуры именно особенностями взаимного соединения (если оно существует) между образующими ее элементами (многоугольниками или многогранниками). В многоуровневой структуре по меньшей мере 75 % составляющих ее элементов имеют более 50 % их периметра (для многоугольников) не в контакте с любым из других элементов структуры. Таким образом, в многоуровневой структуре большинство базовых составляющих элементов легко идентифицировать геометрически и различать по отдельности. Многоуровневая структура представляет собой по меньшей мере два уровня детализации: уровень всей структуры и уровень многоугольных или многогранных элементов, которые ее образуют. Ее название обусловлено именно этой характеристикой и тем фактом, что в нее могут быть включены многоугольники или многогранники с большим разнообразием размеров. Дополнительно к этому, можно группировать и соединять электромагнитно друг с другом несколько многоуровневых структур для образования структур более высокого уровня. В многоуровневой структуре все составляющие элементы являются многоугольниками с одинаковым числом сторон или многогранниками с одинаковым числом граней. Естественно, что это свойство нарушается, когда группируются и электромагнитно соединяются несколько многоуровневых структур разного характера для образования метаструктур более высокого уровня.This invention relates to an antenna, which includes at least one structural element in the form of a multilevel structure. A multilevel structure is characterized in that it is formed by collecting several polygons or polyhedra of the same type (for example, triangles, parallelograms, pentagons, hexagons, etc., even circles or ellipses as special limit cases of a polygon with a large number of sides, as well as tetrahedrons , hexagons, prisms, duodes, etc.), connected to each other electromagnetically due to the proximity or through direct contact between the elements. A multilevel structure or figure differs from another ordinary figure precisely in the features of the mutual connection (if it exists) between the elements forming it (polygons or polyhedra). In a multilevel structure, at least 75% of its constituent elements have more than 50% of their perimeter (for polygons) not in contact with any of the other structural elements. Thus, in a multi-level structure, most of the basic constituent elements are easily identified geometrically and distinguished separately. A multilevel structure represents at least two levels of detail: the level of the entire structure and the level of the polygonal or polyhedral elements that form it. Its name is due precisely to this characteristic and the fact that polygons or polyhedra with a wide variety of sizes can be included in it. In addition, several multilevel structures can be grouped and electromagnetically connected to each other to form structures of a higher level. In a multilevel structure, all constituent elements are polygons with the same number of sides or polyhedra with the same number of faces. Naturally, this property is violated when several multilevel structures of a different nature are grouped and electromagnetically connected to form metastructures of a higher level.
На фиг.1-7 показаны некоторые конкретные примеры многоуровневых структур.Figure 1-7 shows some specific examples of multi-level structures.
На фиг.1 показан многоуровневый элемент, состоящий исключительно из треугольников разных размеров и форм. Необходимо отметить, что в этом конкретном случае каждый и все элементы (черные треугольники) можно различать, поскольку треугольники накладываются друг на друга только в небольшой зоне их периметра, в данном случае у их вершин. На фиг.2 показаны компоновки многоуровневых антенн в различных конфигурациях: несимметричного вибратора (2.1), диполя (2.2), накладки (2.3), копланарной антенны (2.4), катушки (вид сбоку - 2.5 и вид спереди - 2.6) и решетки (2.7). В связи с этим необходимо отметить, что независимо от своей конфигурации многоуровневая антенна отличается от других антенн геометрией своих характеристичных излучающих элементов.Figure 1 shows a multilevel element consisting exclusively of triangles of different sizes and shapes. It should be noted that in this particular case, each and all elements (black triangles) can be distinguished, since the triangles overlap only in a small area of their perimeter, in this case at their vertices. Figure 2 shows the layout of multi-level antennas in various configurations: asymmetric vibrator (2.1), dipole (2.2), cover plate (2.3), coplanar antenna (2.4), coil (side view - 2.5 and front view - 2.6) and grating (2.7 ) In this regard, it should be noted that regardless of its configuration, a multilevel antenna differs from other antennas in the geometry of its characteristic radiating elements.
На фиг.3 показаны другие примеры многоуровневых структур 3.1-3.15, при этом они все состоят из треугольников. Необходимо отметить, что случай 3.14 является эволюцией случая 3.13, несмотря на контакт между 4 треугольниками, 75 % элементов (три треугольника за исключением центрального) имеют более 50 % периметра свободным.Figure 3 shows other examples of multi-level structures 3.1-3.15, while they all consist of triangles. It should be noted that case 3.14 is an evolution of case 3.13, despite the contact between 4 triangles, 75% of the elements (three triangles with the exception of the central one) have more than 50% of the perimeter free.
На фиг.4 показаны многоуровневые структуры 4.1-4.15, образованные параллелограммами (квадратами, прямоугольниками, ромбами). Необходимо отметить, что составляющие элементы всегда можно идентифицировать по отдельности (по меньшей мере большинство из них). В частности, в случае 4.12 указанные элементы имеют 100 % своего периметра свободным, при этом нет какого-либо физического соединения между ними (связь обеспечивается их близостью за счет взаимной емкости между элементами).Figure 4 shows the multilevel structures 4.1-4.15 formed by parallelograms (squares, rectangles, rhombs). It should be noted that the constituent elements can always be identified separately (at least most of them). In particular, in case 4.12, these elements have 100% of their perimeter free, and there is no physical connection between them (the connection is ensured by their proximity due to the mutual capacitance between the elements).
На фиг.5, 6 и 7 показаны другие не ограничивающие изобретение примеры выполнения других многоуровневых структур на основе соответственно пятиугольников, шестиугольников и многогранников.Figure 5, 6 and 7 show other non-limiting examples of other multilevel structures based on pentagons, hexagons and polyhedra, respectively.
Необходимо отметить, что отличие между многоуровневыми антеннами и другими существующими антеннами лежит в особой геометрии, а не в их конфигурации в качестве антенны или в используемых для конструкции материалах. Таким образом, многоуровневую структуру можно использовать в любой известной конфигурации антенн. В качестве неограничивающих примеров можно привести следующие: диполи, несимметричный вибратор, накладные или микрополосковые антенны, копланарные антенны, зеркальные антенны, намотанные антенны или даже решетки. В целом многоуровневая структура образует часть характерного для указанных конфигураций излучающего элемента, такого как плечо, противовес или оба в несимметричном вибраторе, одно плечо или оба в диполе, излучатель или печатный элемент в микрополосковой, накладной или копланарной антенне; зеркало для зеркальной антенны или коническая часть или даже стенки антенны в антенне рупорного типа. Возможно также использование в конфигурации антенны спирального типа, в которой геометрия витка или витков является наружным периметром. многоуровневой структуры. В целом различие между многоуровневой антенной и обычной антенной состоит в геометрии излучающего элемента или одного из ее компонентов, а не в ее специфической конфигурации.It should be noted that the difference between multilevel antennas and other existing antennas lies in the specific geometry, and not in their configuration as an antenna or in the materials used for construction. Thus, a layered structure can be used in any known antenna configuration. Non-limiting examples include the following: dipoles, unbalanced vibrators, patch or microstrip antennas, coplanar antennas, mirror antennas, wound antennas or even lattices. In general, the multilevel structure forms part of a radiating element characteristic of the indicated configurations, such as a shoulder, a counterweight or both in an asymmetric vibrator, one shoulder or both in a dipole, an emitter or a printing element in a microstrip, laid on or coplanar antenna; a mirror for a mirror antenna or a conical part or even an antenna wall in a horn type antenna. It is also possible to use a spiral-type antenna in the configuration, in which the geometry of the turn or turns is the outer perimeter. layered structure. In general, the difference between a multilevel antenna and a conventional antenna is in the geometry of the radiating element or one of its components, and not in its specific configuration.
Что касается материалов и технологии, то осуществление многоуровневых антенн не ограничивается ни одним из этих признаков. Можно использовать любые из существующих в настоящее время или разработанных в будущем технологий, рассматриваемых в качестве наиболее подходящих для каждого применения, поскольку сущность изобретения состоит в геометрии, используемой в многоуровневой структуре, а не в ее конфигурации. Таким образом, многоуровневая структура может быть образована, например, из листов, частей проводящего или сверхпроводящего материала, посредством печати на диэлектрических подложках (жестких или гибких) с металлическим покрытием как для печатных плат, посредством укладки друг на друга нескольких диэлектрических материалов, которые образуют многоуровневую структуру и т.д., конкретный выбор всегда зависит от специфических требований каждого случая и применения. После формирования многоуровневой структуры порядок выполнения антенны зависит от выбранной конфигурации (несимметричный вибратор. диполь, набор, рупор, зеркало). Для несимметричного вибратора, спирали, диполя и накладной антенны многоуровневая структура может быть осуществлена на металлической опоре (распространенная процедура изготовления включает применение фотолитографического процесса к необработанной диэлектрической пластине для печатных схем), далее структуру устанавливают на стандартный микроволновый разъем, который в случае несимметричного вибратора или накладки соединяют в свою очередь с противовесом (обычно металлической плитой или коробкой), также как в любой известной антенне. В случае диполя две идентичные многоуровневые структуры образуют два плеча антенны. В антенне с раскрывом многоуровневая геометрия может быть частью металлической стенки рупора или его поперечного сечения. Наконец, в случае зеркала многократный элемент или его набор могут образовывать или покрывать зеркало.As for materials and technology, the implementation of multi-level antennas is not limited to any of these features. You can use any of the currently existing or developed in the future technologies, considered as the most suitable for each application, since the essence of the invention consists in the geometry used in the multilevel structure, and not in its configuration. Thus, a multi-level structure can be formed, for example, from sheets, parts of a conductive or superconducting material, by printing on dielectric substrates (rigid or flexible) with a metal coating as for printed circuit boards, by stacking several dielectric materials that form a multi-level structure, etc., the specific choice always depends on the specific requirements of each case and application. After the formation of a multilevel structure, the antenna execution order depends on the selected configuration (asymmetric vibrator. Dipole, dial, horn, mirror). For an asymmetric vibrator, helix, dipole and patch antenna, a multilevel structure can be implemented on a metal support (a common manufacturing procedure involves applying a photolithographic process to an untreated dielectric plate for printed circuits), then the structure is mounted on a standard microwave connector, which in the case of an asymmetric vibrator or patch connected in turn with a counterweight (usually a metal plate or box), as in any known antenna. In the case of a dipole, two identical multilevel structures form two antenna arms. In an antenna with an opening, multilevel geometry may be part of the metal wall of the horn or its cross section. Finally, in the case of a mirror, a multiple element or its set can form or cover a mirror.
Большинство релевантных свойств многоуровневых антенн обуславливаются их геометрией и состоят в следующем: возможность работы в нескольких частотных диапазонах подобным образом (подобное полное сопротивление и диаграмма направленности) и возможность уменьшения их размеров по сравнению с другими обычными антеннами, основанными исключительно на одном многоугольнике или многограннике. Такие свойства особенно полезны в области систем связи. Одновременная работа в нескольких частотных диапазонах позволяет одной многоуровневой антенне интегрировать несколько систем связи вместо выделения одной антенны для каждой системы или службы, как это обычно имеет место в настоящее время. Уменьшение размеров особенно целесообразно, когда антенну необходимо скрыть из-за ее визуального конфликта с городским или сельским ландшафтом или же из-за ее неэстетичного или неаэродинамичного воздействия при встраивании в транспортное средство или переносное телекоммуникационное устройство.Most of the relevant properties of multilevel antennas are determined by their geometry and are as follows: the ability to work in several frequency ranges in a similar way (similar impedance and radiation pattern) and the ability to reduce their size compared to other conventional antennas based solely on one polygon or polyhedron. Such properties are particularly useful in the field of communication systems. Simultaneous operation in several frequency ranges allows one multilevel antenna to integrate several communication systems instead of allocating one antenna for each system or service, as is usually the case today. Downsizing is especially useful when the antenna needs to be hidden because of its visual conflict with the urban or rural landscape or because of its unaesthetic or non-aerodynamic effects when embedded in a vehicle or portable telecommunication device.
В качестве примера, демонстрирующего преимущества, получаемые за счет использования многоуровневой антенны в реальных условиях, ниже приводится описание многоуровневой антенны AM1, используемой в системах, работающих в телекоммуникащионных стандартах GSM и DCS. Эти антенны выполнены с возможностью соответствия радиоэлектрическим требованиям в обеих системах сотовой телефонной связи. Используя единственную многоуровневую антенну GSM и DCS для обоих диапазонов (900 МГц и 1800 МГц) операторы сотовой телефонии могут уменьшить стоимость и отрицательное воздействие на окружающую среду сетями своих станций при одновременном увеличении числа поддерживаемых сетью пользователей (клиентов).As an example, demonstrating the advantages obtained by using a multi-level antenna in real conditions, the following is a description of the multi-level antenna AM1 used in systems operating in telecommunication standards GSM and DCS. These antennas are configured to meet radioelectric requirements in both cellular telephone systems. Using a single multilevel GSM and DCS antenna for both bands (900 MHz and 1800 MHz), cellular telephony operators can reduce the cost and environmental impact of their station networks while increasing the number of users (customers) supported by the network.
Необходимо четко отличать многоуровневые антенны от фрактальных антенн. Последние основаны на фрактальной геометрии, которая основывается на абстрактных математических понятиях, которые трудно осуществить на практике. В специальной научной литературе в качестве фрактальных определяются геометрические объекты с неинтегральной размерностью Хаусдорфа. Это означает, что фрактальные объекты существуют только в виде абстракции или идеи, однако указанные геометрии являются не пригодными (в строгом смысле) для реального объекта или чертежа. То есть антенны, основанные на этой геометрии, были разработаны и широко описаны в научной литературе, хотя их геометрия не является строго фрактальной в научном смысле. Несмотря на это, некоторые из этих антенн обеспечивают многодиапазонные характеристики (их полное сопротивление и диаграмма направленности остаются практически постоянными в нескольких частотных диапазонах), но они сами по себе не обеспечивают все характеристики, необходимые для применения антенн в практических условиях. Так, например, антенна Серпинского имеет многодиапазонные характеристики для N диапазонов, разнесенных на фактор 2, и хотя при таком разнесении можно предполагать возможность ее использования для сетей связи GSM 900 МГц и GSM 1800 МГц (или DCS), ее неподходящая диаграмма для этих частот направленности и размеры исключают ее практическое использование в реальных условиях. Короче, для получения антенны, которая дополнительно к обеспечению многодиапазонных характеристик отвечает всем требованиям, предъявляемым для каждого специфического применения, почти всегда необходимо отойти от фрактальной геометрии и обратиться, например, к антеннам многоуровневой геометрии. Например, ни одна из структур, показанных на фиг. 1, 3, 4, 5 и 6, не является фрактальной. Для них всех их размерность Хаусдорфа равна 2, что то же самое, что и их топологическая размерность. Аналогичным образом, ни одна из многоуровневых систем на фиг. 7 не является фрактальной, при этом их размерность Хаусдорфа равна 3, также как их топологическая размерность.It is necessary to clearly distinguish multilevel antennas from fractal antennas. The latter are based on fractal geometry, which is based on abstract mathematical concepts that are difficult to put into practice. In special scientific literature, geometric objects with non-integral Hausdorff dimension are defined as fractal ones. This means that fractal objects exist only in the form of an abstraction or idea, however, the indicated geometries are not suitable (in the strict sense) for a real object or drawing. That is, antennas based on this geometry were developed and widely described in the scientific literature, although their geometry is not strictly fractal in the scientific sense. Despite this, some of these antennas provide multi-band characteristics (their impedance and radiation pattern remain almost constant in several frequency ranges), but they themselves do not provide all the characteristics necessary for the use of antennas in practical conditions. So, for example, the Sierpinski antenna has multi-band characteristics for N bands spaced by a factor of 2, and although with such spacing it can be assumed that it can be used for GSM 900 MHz and GSM 1800 MHz (or DCS) communication networks, its inappropriate pattern for these directivity frequencies and dimensions exclude its practical use in real conditions. In short, to obtain an antenna that, in addition to providing multi-band characteristics, meets all the requirements for each specific application, it is almost always necessary to move away from fractal geometry and turn, for example, to multi-level antennae. For example, none of the structures shown in FIG. 1, 3, 4, 5 and 6, is not fractal. For all of them, their Hausdorff dimension is 2, which is the same as their topological dimension. Similarly, none of the tiered systems of FIG. 7 is not fractal, while their Hausdorff dimension is 3, as well as their topological dimension.
В любом случае многоуровневые структуры нельзя путать с антенными решетками. Хотя правда, что решетка образуется из наборов идентичных антенн, элементы в них электромагнитно развязаны, и совершенно противоположное имеет место в многоуровневых антеннах. В решетке каждый элемент получает энергию независимо с помощью специальных передатчиков сигналов или приемников для каждого элемента, или с помощью сети распределения сигналов, в то время как в многоуровневой антенне структура возбуждается в небольшом числе ее элементов, а остальные связаны электромагнитно или посредством прямого контакта (через зону, которая не превышает 50 % периметра или поверхности смежных элементов). В решетке добиваются увеличения направленности отдельной антенны или формирования диаграммы направленности для специфического применения. В многоуровневой антенне целью является получение многодиапазонных характеристик или уменьшенных размеров антенны, что предполагает полностью отличное от решеток применение.In any case, multilevel structures cannot be confused with antenna arrays. Although it is true that the array is formed from sets of identical antennas, the elements in them are electromagnetically decoupled, and the exact opposite takes place in multi-level antennas. In the array, each element receives energy independently through special signal transmitters or receivers for each element, or through a signal distribution network, while in a multilevel antenna the structure is excited in a small number of its elements, and the rest are connected electromagnetically or through direct contact (via area that does not exceed 50% of the perimeter or surface of adjacent elements). In the array, an increase in the directivity of an individual antenna or formation of a radiation pattern for a specific application is achieved. In a multi-level antenna, the goal is to obtain multi-band characteristics or reduced antenna sizes, which implies a completely different application from the arrays.
Ниже приводится описание только для целей иллюстрации двух неограничивающих объема изобретения примеров рабочих вариантов выполнения многоуровневых антенн (AM1 и АМ2) для специфических условий и применений.The following is a description, for purposes of illustration only, of two non-limiting invention examples of working embodiments of multi-level antennas (AM1 and AM2) for specific conditions and applications.
Вариант AM1Option AM1
Эта модель состоит из многоуровневой антенны накладного типа, показанной на фиг. 8, которая работает одновременно в диапазонах GSM 900 (890-960 МГц) и GSM 1800 (1710-1880 МГц) и обеспечивает секторную диаграмму направленности в горизонтальной плоскости. Антенна предназначена в основном (хотя и не ограничивается этим) для использования в базовых станциях мобильной телефонии GSM 900 и 1800.This model consists of a layered antenna of the patch type shown in FIG. 8, which operates simultaneously in the GSM 900 (890-960 MHz) and GSM 1800 (1710-1880 MHz) bands and provides a sector radiation pattern in the horizontal plane. The antenna is intended primarily (although not limited to this) for use in the base stations of mobile telephony GSM 900 and 1800.
Многоуровневая структура 8.10, или излучатель (накладка) антенны состоит из напечатанного медного листа на стандартной стекловолоконной плате для печатных схем. Многоуровневая геометриясостоит из 5 треугольников 8.1-8.5, соединенных в своих вершинах, как показано на фиг. 8, при этом наружный периметр имеет форму равностороннего треугольника с высотой 8.6, равной 13,9 см. Нижний треугольник имеет высоту 8.7, равную 8,2 см, и вместе с двумя смежными треугольниками образует структуру с треугольным периметром с высотой 8.8, равной 10,7 см.The layered structure 8.10, or the radiator (patch) of the antenna consists of a printed copper sheet on a standard fiberglass circuit board for printed circuits. Multilevel geometry consists of 5 triangles 8.1-8.5 connected at their vertices, as shown in FIG. 8, while the outer perimeter has the shape of an equilateral triangle with a height of 8.6 equal to 13.9 cm. The lower triangle has a height of 8.7 equal to 8.2 cm, and together with two adjacent triangles forms a structure with a triangular perimeter with a height of 8.8 equal to 10, 7 cm
Многоуровневый излучатель 8.10 установлен параллельно плоскости прямоугольного противовеса 8.9 из алюминия с размерами 22×18,5 см. Расстояние между излучателем и плоскостью противовеса равно 3,3 см, которое зафиксировано с помощью пары действующих в качестве опоры диэлектрических распорок 8.12.A multi-level emitter 8.10 is installed parallel to the plane of a rectangular counterweight 8.9 of aluminum with dimensions 22 × 18.5 cm.The distance between the emitter and the plane of the counterweight is 3.3 cm, which is fixed using a pair of dielectric struts acting as a support 8.12.
Соединение с антенной выполнено в двух точках многоуровневой структуры, по одной для каждого рабочего диапазона (GSM 900 и GSM 1800). Возбуждение обеспечивается посредством вертикального металлического штыря, перпендикулярного плоскости противовеса и многоуровневой структуры, заканчивающейся емкостным образом металлическим листом, который электрически связан за счет близости (емкостный эффект) с излучателем. Это является стандартной системой в антеннах накладной конфигурации, целью которой является компенсация индуктивного действия штыря с помощью емкостного действия его окончания.The connection to the antenna is made at two points of a multilevel structure, one for each operating range (GSM 900 and GSM 1800). Excitation is provided by means of a vertical metal pin perpendicular to the counterweight plane and a multilevel structure ending in a capacitive manner with a metal sheet that is electrically connected due to the proximity (capacitive effect) to the emitter. This is the standard system in the antennas of the overhead configuration, the purpose of which is to compensate the inductive action of the pin with the capacitive action of its end.
У своего основания штырь возбуждения соединен с контуром, который соединяет элементы и порт доступа к антенне или разъему 8.13. Указанный соединительный контур может быть образован с помощью микрополосковой, коаксиальной или полосковой технологии, другой подходящей технологии и включает в себя обычные согласующие схемы, которые трансформируют полное сопротивление, измеренное у основания штыря, в 50 Ом ( с типичным допуском по коэффициенту стоячей волны менее 1,5, обычным для такого применения), необходимое на входном/выходном разъеме антенны. Обычно указанный разъем является разъемом типа N или SMA для применения в базовых станциях микросети.At its base, the field pin is connected to a circuit that connects the elements and the access port to the antenna or connector 8.13. The specified connection circuit can be formed using microstrip, coaxial or strip technology, other suitable technology and includes conventional matching circuits that transform the impedance measured at the base of the pin into 50 Ohms (with a typical tolerance for the standing wave coefficient of less than 1, 5, usual for such an application) required at the input / output connector of the antenna. Typically, the specified connector is an N or SMA type connector for use in microstation base stations.
Дополнительно к согласованию и обеспечению соединения с излучающим элементом, соединительный контур 8.11 может содержать диплексер, за счет чего он обеспечивает использование антенны в двух конструкциях разъема (одной для каждого диапазона) или в одном разъеме для обоих диапазонов.In addition to matching and providing a connection with the radiating element, the connecting circuit 8.11 may include a diplexer, due to which it ensures the use of the antenna in two connector designs (one for each band) or in one connector for both bands.
При выполнении двойного разъема с целью увеличения изоляции между терминалами GSM 900 и GSM 1800 (DCS) основание штыря возбуждения диапазона DCS может быть соединено с параллельным шлейфом с электрической длиной, равной половине длины волны в центре диапазона DCS, заканчивающимся открытым контуром. Аналогичным образом, к основанию проводника GSM 900 может быть присоединен параллельный шлейф, заканчивающийся открытым контуром, с электрической длиной, немного большей одной четверти длины волны в центре диапазона GSM. Этот шлейф вносит емкость в основание соединения, которое можно регулировать для компенсации остаточного индуктивного действия штыря. Кроме того, указанный шлейф имеет очень низкое полное сопротивление в диапазоне DCS, что способствует изоляции между разъемами в указанном диапазоне.When making a double connector in order to increase isolation between the GSM 900 and GSM 1800 (DCS) terminals, the base of the DCS range excitation pin can be connected to a parallel loop with an electrical length equal to half the wavelength in the center of the DCS range ending in an open loop. Similarly, a parallel loop terminating in an open circuit with an electrical length slightly greater than one quarter of the wavelength in the center of the GSM range can be connected to the base of the GSM 900 conductor. This loop makes a capacitance in the base of the connection, which can be adjusted to compensate for the residual inductive action of the pin. In addition, the specified loop has a very low impedance in the DCS range, which contributes to the isolation between the connectors in the specified range.
На фиг.9 и 10 отображены типичные радиоэлектрические характеристики для этого специального варианта выполнения дуальной многоуровневой антенны.Figures 9 and 10 show typical radioelectric characteristics for this special embodiment of a dual multi-level antenna.
На фиг.9 показаны графики, отображающие потери на отражение (Lr) в диапазонах GSM (фиг. 9.1) и DCS (фиг. 9.2) обычно менее -14 дБ (что эквивалентно коэффициенту стоячей волны (КСВ) менее 1,5), так что антенна хорошо согласована в обоих рабочих диапазонах (890-960 МГц и 1710-1880 Мгц).Fig. 9 shows graphs depicting reflection loss (L r ) in the GSM (Fig. 9.1) and DCS (Fig. 9.2) bands, typically less than -14 dB (which is equivalent to a standing wave coefficient (SWR) of less than 1.5), so the antenna is well matched in both operating ranges (890-960 MHz and 1710-1880 MHz).
На фиг.10 показаны диаграммы направленности в вертикальной плоскости (фиг. 10.1 и 10.3) и горизонтальной плоскости (фиг. 10.2 и 10.4). Можно четко видеть, что обе антенны излучают с использованием основного лепестка в направлении, перпендикулярном антенне (10. 1 и 10.3), и что в горизонтальной плоскости (10.2 и 10.4) обе диаграммы являются секторными с типичной шириной луча 65° на уровне 3 дБ. Типичная направленность (d) в обоих диапазонах составляет более 7 дБ.Figure 10 shows the radiation patterns in the vertical plane (Fig. 10.1 and 10.3) and the horizontal plane (Fig. 10.2 and 10.4). You can clearly see that both antennas emit using the main lobe in the direction perpendicular to the antenna (10. 1 and 10.3), and that in the horizontal plane (10.2 and 10.4) both diagrams are sector with a typical beam width of 65 ° at 3 dB. Typical directivity (d) in both ranges is more than 7 dB.
Показанная на фиг.11 модель состоит из многоуровневой антенны в конфигурации несимметричного вибратора для беспроводных систем связи для использования внутри помещений или с локальным доступом с использованием радиосвязи.The model shown in Fig. 11 consists of a multi-level antenna in the configuration of an asymmetric vibrator for wireless communication systems for indoor use or with local access using radio communications.
Антенна работает аналогичным образом одновременно в диапазонах 1880-1930 МГц и 3400-3600 МГц, например, в установках системы модифицированной цифровой беспроводной телефонии (стандарт DECT). Многоуровневая структура образована тремя или пятью треугольниками (смотри фиг.11 и 3.6), к которым может быть добавлена индуктивная петля 11.1. Антенна имеет всенаправленную диаграмму направленности в горизонтальной плоскости и предназначена в основном (но не ограничиваясь этим) для установки на крыше или на пол.The antenna works in a similar way at the same time in the ranges 1880-1930 MHz and 3400-3600 MHz, for example, in the installations of the modified digital wireless telephony system (DECT standard). The multilevel structure is formed by three or five triangles (see Fig. 11 and 3.6), to which an inductive loop 11.1 can be added. The antenna has an omnidirectional radiation pattern in the horizontal plane and is intended primarily (but not limited to) for installation on the roof or floor.
Многоуровневая структура выполнена методом печати на диэлектрической подложке 11.2 Rogers® R04003 с шириной 5,5 см, высотой 4,9 см и толщиной 0,8 мм и с диэлектрической проницаемостью, равной 3,38. Многоуровневый элемент состоит из трех соединенных у вершин треугольников 11.3-11.5. Нижний треугольник 11.3 имеет высоту 1,82 см, в то время как многоуровневая структура имеет общую высоту 2,72 см. Для уменьшения общего размера f антенны многоуровневый элемент в данном конкретном варианте выполнения дополнен на своей верхней части индуктивной петлей 11.1 трапецеивидной формы, так что общий размер излучающего элемента равен 4,5 см.The multilevel structure is made by printing on an 11.2 Rogers® R04003 dielectric substrate with a width of 5.5 cm, a height of 4.9 cm and a thickness of 0.8 mm and with a dielectric constant of 3.38. A multilevel element consists of three triangles 11.3-11.5 connected at the vertices. The lower triangle 11.3 has a height of 1.82 cm, while the multi-level structure has a total height of 2.72 cm. To reduce the overall size f of the antenna, the multi-level element in this particular embodiment is supplemented with a trapezoidal inductive loop 11.1 on its upper part, so that the total size of the radiating element is 4.5 cm.
Многоуровневая структура установлена перпендикулярно на металлической (например, алюминиевой) пластине 11.6 противовеса квадратной или круглой формы около 18 см в длину или в диаметре. Нижняя вершина элемента расположена в центре пластины противовеса и образует точку возбуждения антенны. В этой точке присоединена соединительная схема, которая связывает излучающий элемент с входным/выходным разъемом. Указанная соединительная схема может быть осуществлена, например, с помощью микрополосковой, полосковой или коаксиальной технологии. В данном конкретном примере использована микрополосковая конфигурация. Дополнительно к соединению между излучающим элементом и разъемом, схему можно использовать в качестве трансформатора полного сопротивления для приведения полного сопротивления у вершины многоуровневого элемента к 50 Омам (Lr<-14 дБ, КСВ<1,5), необходимым для входного/выходного разъема.A multilevel structure is mounted perpendicularly to a metal (eg, aluminum) plate 11.6 of a counterweight of a square or round shape about 18 cm in length or in diameter. The lower peak of the element is located in the center of the counterweight plate and forms the antenna excitation point. At this point, a connection circuit is connected that couples the radiating element to the input / output connector. The specified connecting circuit can be implemented, for example, using microstrip, strip or coaxial technology. In this particular example, a microstrip configuration is used. In addition to the connection between the radiating element and the connector, the circuit can be used as an impedance transformer to bring the impedance at the top of the multilevel element to 50 Ohms (L r <-14 dB, SWR <1.5), necessary for the input / output connector.
На фиг.12 и 13 показаны радиоэлектрические характеристики антенн в нижнем (1900 МГц) и верхнем (3500 МГц) диапазонах.12 and 13 show the radioelectrical characteristics of the antennas in the lower (1900 MHz) and upper (3500 MHz) bands.
На фиг.12 показан коэффициент стоячей волны (КСВ) для обоих диапазонов: на фиг. 12.1 - для диапазона между 1880 и 1930 МГц и на фиг. 12.2 - для диапазона между 3400 и 3600 МГц. Они показывают, что антенна хорошо согласована, поскольку потери на отражение меньше 14 дБ, т.е. КСВ<1,5 во всем представляющем интерес диапазоне.12 shows a standing wave coefficient (SWR) for both ranges: FIG. 12.1 - for the range between 1880 and 1930 MHz and in FIG. 12.2 - for the range between 3400 and 3600 MHz. They show that the antenna is well matched since the reflection loss is less than 14 dB, i.e. SWR <1.5 in the entire range of interest.
На фиг.13 показаны диаграммы направленности. Диаграммы 13.1, 13.2 и 13.3 отображают данные, полученные при 1905 МГц в вертикальной плоскости, горизонтальной плоскости и в плоскости антенны соответственно, а диаграммы 13.4, 13.5 и 13.6 - при 3500 МГц в вертикальной плоскости, горизонтальной плоскости и в плоскости антенны соответственно.13 shows radiation patterns. Diagrams 13.1, 13.2 and 13.3 show the data obtained at 1905 MHz in the vertical plane, horizontal plane and in the plane of the antenna, respectively, and diagrams 13.4, 13.5 and 13.6 - at 3500 MHz in the vertical plane, horizontal plane and in the plane of the antenna, respectively.
Можно видеть всенаправленную характеристику диаграммы в горизонтальной плоскости и типичную двухлепестковую диаграмму в вертикальной плоскости с типичной направленностью антенны около 4 дБ в диапазоне 1900 и 6 дБ в диапазоне 3500.You can see the omnidirectional characteristic of the diagram in the horizontal plane and a typical bilobate diagram in the vertical plane with a typical antenna directivity of about 4 dB in the range of 1900 and 6 dB in the range of 3500.
Относительно характеристик антенны необходимо отметить, что характеристики довольно сходные для обоих диапазонов (как по КСВ, так и по диаграмме направленности), что делает ее многодиапазонной антенной.Regarding the characteristics of the antenna, it should be noted that the characteristics are quite similar for both ranges (both in SWR and in the radiation pattern), which makes it a multi-band antenna.
С целью защиты излучающего элемента и соединительной схемы от вредных воздействий окружающей среды, а также для придания привлекательного внешнего вида антенны AM1 и АМ2 обычно накрыты диэлектрическим обтекателем, который практически прозрачен для электромагнитного излучения.In order to protect the radiating element and the connecting circuit from harmful environmental influences, as well as to give an attractive appearance, the antennas AM1 and AM2 are usually covered with a dielectric fairing, which is almost transparent to electromagnetic radiation.
Из приведенного описания изобретения специалисты в данной области техники способны понять его объем и преимущества, а также способы его выполнения.From the above description of the invention, experts in the art are able to understand its scope and advantages, as well as methods for its implementation.
Поскольку приведенное выше описание относится только к предпочтительному варианту выполнения изобретения, то необходимо понимать, что в рамках настоящего изобретения могут быть введены различные вариации деталей, размеров и/или материалов, используемых при изготовлении всего изобретения или любой из его частей.Since the above description refers only to the preferred embodiment of the invention, it should be understood that various variations of the parts, sizes and / or materials used in the manufacture of the entire invention or any of its parts can be introduced within the framework of the present invention.
Claims (36)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002110442/09A RU2253925C2 (en) | 1999-09-20 | 1999-09-20 | Multilevel antenna |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002110442/09A RU2253925C2 (en) | 1999-09-20 | 1999-09-20 | Multilevel antenna |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2002110442A RU2002110442A (en) | 2003-11-20 |
| RU2253925C2 true RU2253925C2 (en) | 2005-06-10 |
Family
ID=35834824
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2002110442/09A RU2253925C2 (en) | 1999-09-20 | 1999-09-20 | Multilevel antenna |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2253925C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2474016C1 (en) * | 2011-08-29 | 2013-01-27 | Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Омский Государственный Технический Университет" | Dipole array |
-
1999
- 1999-09-20 RU RU2002110442/09A patent/RU2253925C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2474016C1 (en) * | 2011-08-29 | 2013-01-27 | Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Омский Государственный Технический Университет" | Dipole array |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10056682B2 (en) | Multilevel antennae | |
| EP1444751B1 (en) | Loaded antenna | |
| JP4195070B2 (en) | Multi-level antenna | |
| RU2253925C2 (en) | Multilevel antenna | |
| EP2273610A1 (en) | Multilevel antennae |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130921 |