RU2774813C1

RU2774813C1 - Uhf antenna with a conical reflector, omnidirectional in a horizontal plane

Info

Publication number: RU2774813C1
Application number: RU2021111507A
Authority: RU
Inventors: Юрий Валентинович Медведев; Алина Олеговна Перфилова; Олег Юрьевич Перфилов; Вячеслав Иннокентьевич Тепляшин
Filing date: 2021-04-22
Publication date: 2022-06-23

Abstract

FIELD: radio engineering.

SUBSTANCE: area of application: invention relates to the field of radio engineering, in particular, to antenna equipment, and can be used as antennas for wireless radio access systems. Substance: UHF antenna, omnidirectional in a horizontal plane, comprises a parabolic mirror, a parabolic mirror irradiator, a UHF path powering the parabolic mirror irradiator, and a conical reflector, the size of the base whereof matches the aperture size of the parabolic mirror. The novel feature of the proposed antenna design is the fact the parabolic mirror irradiator is powered via a coaxial cable and is made in the form of an annular slot antenna, which is a type of discone antenna with an endovibrator filled with a closed-porosity dielectric material. Use of the annular slot antenna with a coaxial cable as an irradiator allows for the frequency overlap range of the antenna to be as much as doubled, and also provides a significant structural simplification of the antenna and allows for a reduction in the production cost thereof.

EFFECT: increase in the broadbandness of the UHF antenna omnidirectional in the horizontal plane, structural simplification of the irradiator and UHF path thereof.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области радиотехники и, в частности, к антенной технике и может быть использовано в качестве антенн для систем беспроводного радиодоступа.The invention relates to the field of radio engineering and, in particular, to antenna technology and can be used as antennas for wireless radio access systems.

Наибольший интерес для систем беспроводного доступа представляют антенны, позволяющие реализовать наибольшую зону охвата. Такие антенны должны иметь круговую или секторную ДН в горизонтальной и остронаправленную - в вертикальной плоскостях, иметь высокий коэффициент усиления и обеспечивать многодиапазонный режим работы. Конструктивно такие антенны могут выполняться как в виде стандартных вертикальных вибраторов, так и в виде антенн на основе конического излучателя или системы зеркал, либо в виде гибридных диэлектрических линзовых антенн с электрическим сканированием в полном телесном угле с управляемой диаграммой направленности [1].Of greatest interest to wireless access systems are antennas that allow you to realize the largest coverage area. Such antennas must have a circular or sectorial pattern in the horizontal and highly directional - in the vertical planes, have a high gain and provide a multi-band operation. Structurally, such antennas can be made both in the form of standard vertical vibrators, and in the form of antennas based on a conical radiator or a system of mirrors, or in the form of hybrid dielectric lens antennas with electric scanning in full solid angle with a controlled radiation pattern [1].

Известна всенаправленная в горизонтальной плоскости биконическая СВЧ антенна с корректирующей линзой [2], состоящая из двух соосных металлических конусов, вершины которых расположены в общей точке питания, корректирующей кольцевой диэлектрической линзы, коаксиального или волноводного перехода, радиопрозрачного укрытия и устройства возбуждения. Возбуждение рупора может осуществляться штырем или рамкой. Недостатком подобных антенн является сложность их производства и высокая стоимость вследствие необходимости установки в их раскрыве кольцевой диэлектрической линзы.Known omnidirectional in the horizontal plane biconical microwave antenna with a corrective lens [2], consisting of two coaxial metal cones, the vertices of which are located at a common feed point, corrective annular dielectric lens, coaxial or waveguide transition, radio transparent shelter and excitation device. The excitation of the horn can be carried out by a pin or a frame. The disadvantage of such antennas is the complexity of their production and high cost due to the need to install an annular dielectric lens in their aperture.

Известна более технологичная двухзеркальная СВЧ антенна [3]. Она заключена в корпус и содержит облучатель, гиперболическое вспомогательное зеркало и основное параболическое зеркало. Один из фокусов гиперболоида вращения совпадает с фазовым центром первичного облучателя, а второй фокус совмещен с фокусом параболической кривой. Сферическая волна, излучаемая облучателем, отражается контррефлектором, попадает на параболическую поверхность и отражается в горизонтальном направлении с равномерным распределением фазы. Таким образом, в азимутальной плоскости излучение антенны является всенаправленным, а степень сжатия ДН в вертикальной плоскости определяется размером раскрыва параболического зеркала. Недостатком этой конструкции является ее громоздкость, связанная с большими вертикальными размерами антенны. При этом полезная, с точки зрения формирования ДН, часть вертикального размера антенны будет составлять менее половины высоты конструкции.A more technological two-mirror microwave antenna is known [3]. It is enclosed in a housing and contains an irradiator, a hyperbolic auxiliary mirror and a main parabolic mirror. One of the foci of the hyperboloid of revolution coincides with the phase center of the primary feed, and the second focus is aligned with the focus of the parabolic curve. The spherical wave emitted by the irradiator is reflected by the counterreflector, hits the parabolic surface and is reflected in the horizontal direction with a uniform phase distribution. Thus, in the azimuthal plane, the radiation of the antenna is omnidirectional, and the degree of compression of the pattern in the vertical plane is determined by the size of the opening of the parabolic mirror. The disadvantage of this design is its bulkiness associated with the large vertical dimensions of the antenna. At the same time, the part of the vertical size of the antenna that is useful, from the point of view of the formation of the pattern, will be less than half the height of the structure.

Известна также конструкция всенаправленной в горизонтальной плоскости СВЧ антенны с коническим отражателем [4]. Данная антенна содержит параболическое зеркало, рупорный облучатель параболического зеркала, СВЧ тракт, питающий облучатель параболического зеркала, и конический отражатель. Размер раскрыва зеркала и основания конуса совпадают. Выбором угла раскрыва конуса можно регулировать угол наклона максимума ДН в вертикальной плоскости. Электромагнитное поле облучателя распространяется в направлении параболического зеркала, от которого оно отражается, поступая на внешнюю поверхность усеченного конуса отражателя, которая переизлучает электромагнитное поле в горизонтальном направлении. Для некоторого расширения рабочей полосы частот антенны облучатель параболического зеркала может быть также выполнен в виде двухчастотного рупора с СВЧ трактом на основе коконообразного эллиптического волновода. Описанная антенна наиболее близка к заявляемой по уровню техники и принята за прототип.Also known is the design of an omnidirectional microwave antenna in the horizontal plane with a conical reflector [4]. This antenna contains a parabolic mirror, a horn feed of the parabolic mirror, a microwave path that feeds the feed of the parabolic mirror, and a conical reflector. The size of the opening of the mirror and the base of the cone are the same. By choosing the opening angle of the cone, you can adjust the angle of inclination of the maximum RP in the vertical plane. The electromagnetic field of the irradiator propagates in the direction of the parabolic mirror, from which it is reflected, entering the outer surface of the truncated cone of the reflector, which re-radiates the electromagnetic field in the horizontal direction. For some extension of the working frequency band of the antenna, the feed of the parabolic mirror can also be made in the form of a two-frequency horn with a microwave path based on a cocoon-shaped elliptical waveguide. The described antenna is closest to the one claimed in terms of the prior art and is taken as a prototype.

Недостатками прототипа являются частотная узкополосность антенны, сложность изготовления, а также дороговизна облучателя и питающего его СВЧ тракта.The disadvantages of the prototype are the frequency narrowband of the antenna, the complexity of manufacturing, as well as the high cost of the irradiator and the microwave path that feeds it.

Для устранения указанных недостатков в известной всенаправленной в горизонтальной плоскости СВЧ антенне с коническим отражателем, имеющей параболическое зеркало, конический отражатель, размер основания которого совпадает с размером раскрыва параболического зеркала предлагается использовать облучатель параболического зеркала, выполненный в виде кольцевой щелевой антенны, являющейся разновидностью диско-конической антенны с эндовибратором, заполненным диэлектрическим материалом с закрытой пористостью. В качестве такого материала могут использоваться пенодиэлектрики.To eliminate these shortcomings in the well-known omnidirectional in the horizontal plane microwave antenna with a conical reflector, having a parabolic mirror, a conical reflector, the size of the base of which coincides with the opening size of the parabolic mirror, it is proposed to use a parabolic mirror feed, made in the form of an annular slot antenna, which is a kind of disc-conical antennas with an endovibrator filled with a dielectric material with closed porosity. Foam dielectrics can be used as such material.

Сопоставительный анализ предлагаемой конструкции с антенной-прототипом показывает, что заявляемое устройство - всенаправленная в горизонтальной плоскости СВЧ антенна с коническим отражателем отличается наличием нового блока, представляющего собой кольцевую щелевую антенну, являющуюся разновидностью диско-конической антенны с эндовибратором, заполненным диэлектрическим материалом с закрытой пористостью и его связями с остальными элементами устройства. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения новизна.A comparative analysis of the proposed design with the prototype antenna shows that the claimed device is an omnidirectional microwave antenna with a conical reflector in the horizontal plane, characterized by the presence of a new block, which is an annular slot antenna, which is a type of disc-conical antenna with an endovibrator filled with a dielectric material with closed porosity and its connections with other elements of the device. Thus, the claimed device meets the criterion of the invention of novelty.

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что всенаправленные в горизонтальной плоскости СВЧ антенны с коническим отражателем и рупорным облучателем параболического зеркала известны. Однако при введении в указанной связи с остальными элементами антенны в заявленное устройство облучателя, выполненного в виде кольцевой щелевой антенны, являющейся разновидностью диско-конической антенны с эндовибратором, заполненным диэлектрическим материалом с закрытой пористостью, антенна проявляет новые свойства - увеличивается диапазон рабочих частот антенны, уменьшается стоимость ее элементов, а также упрощается конструкция, и как следствие технология ее производства. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию изобретения существенные отличия.Comparison of the proposed solution with other technical solutions shows that omnidirectional microwave antennas in the horizontal plane with a conical reflector and a horn feed of a parabolic mirror are known. However, with the introduction in the specified connection with the rest of the antenna elements in the claimed device of the feed, made in the form of an annular slot antenna, which is a type of disc-conical antenna with an endovibrator filled with a dielectric material with closed porosity, the antenna exhibits new properties - the operating frequency range of the antenna increases, decreases the cost of its elements, as well as the design is simplified, and as a result, the technology of its production. This allows us to conclude that the proposed solution meets the criterion of the invention, there are significant differences.

Поскольку применение параболического зеркала и конического отражателя для построения антенн хорошо известно [3, 4], и известно также применение диско - конических антенных конструкций [5, 6], то это позволяет сделать вывод о возможности технической реализации заявляемого решения, а предлагаемая конструкция антенны соответствует критерию изобретения промышленная применимость.Since the use of a parabolic mirror and a conical reflector for constructing antennas is well known [3, 4], and the use of disc-conical antenna structures is also known [5, 6], this allows us to conclude that the proposed solution is technically feasible, and the proposed antenna design corresponds to criterion of the invention industrial applicability.

Вариант исполнения принятой за прототип всенаправленной в горизонтальной плоскости СВЧ антенны с коническим отражателем и облучателем в виде двухчастотного рупора, питаемого коконообразным эллиптическим волноводом представлен на фиг. 1.A version of the prototype of an omnidirectional microwave antenna in the horizontal plane with a conical reflector and a feed in the form of a two-frequency horn fed by a cocoon-shaped elliptical waveguide is shown in Fig. one.

На фиг. 2 изображена конструкция заявляемой антенны, представляющей собой всенаправленную в горизонтальной плоскости СВЧ антенну с коническим отражателем и облучателем в виде кольцевой щелевой антенны, являющейся разновидностью диско-конической антенны с эндовибратором, заполненным диэлектрическим материалом с закрытой пористостью.In FIG. 2 shows the design of the inventive antenna, which is an omnidirectional microwave antenna in the horizontal plane with a conical reflector and a feed in the form of an annular slotted antenna, which is a type of disc-conical antenna with an endovibrator filled with a dielectric material with closed porosity.

Всенаправленная в горизонтальной плоскости СВЧ антенна-прототип, (фиг. 1) содержит облучатель параболического зеркала 1, параболическое зеркало 2, питающий облучатель параболического зеркала СВЧ тракт 3 и конический отражатель 4.Omnidirectional in the horizontal plane of the microwave antenna prototype, (Fig. 1) contains the feed of the parabolic mirror 1, the parabolic mirror 2, feeding the feed of the parabolic mirror microwave path 3 and the conical reflector 4.

Заявляемая всенаправленная в горизонтальной плоскости СВЧ антенна (фиг. 2) содержит облучатель параболического зеркала 1, параболическое зеркало 2, питающий облучатель параболического зеркала СВЧ тракт 3, конический отражатель 4, причем облучатель параболического зеркала состоит из диска 5, цилиндрической части эндовибратора 6, конической части эндовибратора 7 и излучающей щели 8.The inventive omnidirectional microwave antenna in the horizontal plane (Fig. 2) contains a feed of a parabolic mirror 1, a parabolic mirror 2, a feed of the feed of the parabolic mirror of the microwave path 3, a conical reflector 4, and the feed of the parabolic mirror consists of a disk 5, a cylindrical part of the endoscillator 6, a conical part endovibrator 7 and radiating slot 8.

Заявляемая антенна работает следующим образом. Электромагнитная энергия от передающего устройства по коаксиальному фидеру 3 СВЧ тракта подводится к диско-коническому излучателю кольцевой щелевой антенны, состоящему из диска 5, подсоединенному к экрану фидера 3 и конуса эндовибратора 7, подсоединенного к центральной жиле фидера 3. При возбуждении эндовибратора, состоящего из диска 5, конической части 7 и цилиндрической части 6, электромагнитное поле эндовибратора создает излучение кольцевой щели 8 в сторону параболического зеркала 2 от которого оно отражается, поступая на внешнюю поверхность усеченного конуса отражателя 4, которая переизлучает электромагнитное поле в горизонтальном направлении.The inventive antenna works as follows. The electromagnetic energy from the transmitting device is fed through the coaxial feeder 3 of the microwave path to the disc-conical radiator of the annular slot antenna, consisting of the disk 5 connected to the screen of the feeder 3 and the cone of the endoscillator 7 connected to the central core of the feeder 3. 5, the conical part 7 and the cylindrical part 6, the electromagnetic field of the endoscillator creates radiation from the annular slot 8 towards the parabolic mirror 2 from which it is reflected, arriving at the outer surface of the truncated cone of the reflector 4, which re-radiates the electromagnetic field in the horizontal direction.

В связи с использованием в качестве облучателя кольцевой щелевой антенны, вместо одночастотного либо двухчастотного рупора, диапазон частотного перекрытия заявляемой антенны возможно довести вплоть до двухкратного.In connection with the use of an annular slot antenna as a feed, instead of a single-frequency or dual-frequency horn, the range of frequency overlap of the proposed antenna can be increased up to two times.

Источники информацииSources of information

[1] Патент РФ №2297698 С2, МПК H01Q 15/08. Тороидальная линзовая антенна с электрическим сканированием в полном телесном угле / Ю.В. Медведев, А.И. Скородумов, Ю.Я. Харланов (Россия). - Приор. 11.07.2005; Опубл. 20.04.2007.[1] RF patent No. 2297698 C2, IPC H01Q 15/08. Toroidal lens antenna with electric scanning in full solid angle / Yu.V. Medvedev, A.I. Skorodumov, Yu.Ya. Harlanov (Russia). - Prior. 07/11/2005; Published 04/20/2007.

[2] Колобов В.А., Полухин Г.А. Электродинамические характеристики биконической антенны с корректирующей линзой // Радиотехника и электроника. - 1996. - Т. 41. - №9. - С. 1067-1070.[2] Kolobov V.A., Polukhin G.A. Electrodynamic characteristics of a biconical antenna with a corrective lens // Radio engineering and electronics. - 1996. - T. 41. - No. 9. - S. 1067-1070.

[3] Гостев В.И., Гряник М.В., Худолий Д.А. Многофункциональные зеркальные антенны. - Киев: Радиоаматор, 1999. - 317 с.[3] Gostev V.I., Gryanik M.V., Khudoliy D.A. Multifunctional reflector antennas. - Kyiv: Radioamator, 1999. - 317 p.

[4] Михайлов В.Ф., Нарытник Т.Н., Брагин И.В., Мошкин В.Н. Микроволновые технологии в телекоммуникационных системах: Учебное пособие.- СПб.: СПбГУАП, 2003. - С. 216.[4] Mikhailov V.F., Narytnik T.N., Bragin I.V., Moshkin V.N. Microwave technologies in telecommunication systems: Study guide. - St. Petersburg: SPbGUAP, 2003. - P. 216.

[5] Патент РФ №2189675, МПК H01Q 9/28. Кольцевая щелевая антенна / А.Д. Артамошин, П.З. Горбаченко, В.Н. Кира, И.Б. Лебедев, В.М. Медников, В.И.Николаев, В.Б. Фидельман (Россия). - Приор. 19.12.2000; Опубл. 20.09.2002.[5] RF patent No. 2189675, IPC H01Q 9/28. Ring slot antenna / A.D. Artamoshin, P.Z. Gorbachenko, V.N. Kira, I.B. Lebedev, V.M. Mednikov, V.I.Nikolaev, V.B. Fidelman (Russia). - Prior. 12/19/2000; Published 09/20/2002.

[6] Патент РФ №2189677, МПК H01Q 13/10. Кольцевая щелевая антенна / А.Д. Артамошин, П.З. Горбаченко, С.И. Колосов, И.Б. Лебедев, Б.М. Медников, В.И. Николаев, В.Е. Фидельман (Россия). - Приор. 19.12.2000; Опубл. 20.09.2002.[6] RF patent No. 2189677, IPC H01Q 13/10. Ring slot antenna / A.D. Artamoshin, P.Z. Gorbachenko, S.I. Kolosov, I.B. Lebedev, B.M. Mednikov, V.I. Nikolaev, V.E. Fidelman (Russia). - Prior. 12/19/2000; Published 09/20/2002.

Claims

An omnidirectional microwave antenna with a conical reflector in the horizontal plane, containing a parabolic mirror, a feed of the parabolic mirror, a microwave path that feeds the feed of the parabolic mirror, a conical reflector, the size of the base of which coincides with the size of the aperture of the parabolic mirror, characterized in that the feed of the parabolic mirror is made in the form of an annular slot antenna, which is a kind of disc-conical antenna with an end vibrator filled with closed-porosity foam dielectric, while the feed of the parabolic mirror contains a disk, a cylindrical part of the end vibrator, a conical part of the end vibrator and a radiating slot.