BG64431B1

BG64431B1 - Антенен елемент

Info

Publication number: BG64431B1
Application number: BG106243A
Authority: BG
Original assignee: Skygate International Technology N.V.
Priority date: 2001-12-19
Filing date: 2001-12-19
Publication date: 2005-01-31
Also published as: US6995712B2; BG106243A; AU2002347228A1; ATE429046T1; EP1456907B1; WO2003052868A1; EP1456907A1; DE60232014D1; US20050057396A1

Abstract

Антенният елемент включва базова плоча (2), в която са оформени два симетрично пресичащи се под прав ъгъл процепа (3). Над плочата (2) и на разстояние от нея е поместена микролентова излъчвателна планка (1), а под базовата плоча са разположени захранващи линии (4), намиращи се в електромагнитна връзка с процепите (3). Единият край на всяка захранваща линия (4) е входно-изходен терминал (5) на антенния елемент, а другият й край е разположен след процепа (3), така че захранващата линия (4) пресича перпендикулярно процепа (3). Краищата на захранващите линии (4), лежащи след процепите (3), са свързани чрез компенсиращ капацитивен елемент (6). а

Description

Област на техниката

Изобретението се отнася до антенен елемент, който може да бъде използван в различни антенни конструкции в областта на телекомуникациите, като е особено подходящ за изграждането на антенни решетки.

Предшестващо състояние на техниката

Известните микролентови антенни елементи включват микролентова излъчвателна планка с подходяща форма и размери, поместени над базова плоча или върху диелектрични подложки, или върху раздалечителен елемент. Микролентовата излъчвателна планка основно осигурява зададените електрически характеристики на антенния елемент. Възбуждащите сигнали в този случай преминават през процепи, оформени в базовата плоча така, че се пресичат взаимно симетрично в техните центрове. Всеки процеп възбужда съответен мод в антенния елемент. Процепите се захранват посредством микролентова захранваща линия, която в общия случай може да бъде и всякаква друга предавателна линия, подходяща за дадена структура на антенния елемент. Точката на възбуждане, в която микролентовата линия пресича линията на процепа, лежи в едно от рамената на процепа.

Недостатъците на известните антенни елементи, захранени чрез процеп, се състоят в това, че захранването на процепа встрани от неговия център не е оптимално. При такова захранване, от една страна, се променя разпределението на полето по дължината на процепа, а от друга страна, се намалява импедансът в посока към краищата на процепа, вследствие на което се намалява ширината на излъчваната честотна лента. Друг недостатък е, че при пресичане на двата процепа се получава нежелано взаимно влияние между процепите, съответно между входните терминали на антенния елемент, което води до влошаване на поляризационните характеристики на елемента. Този ефект е много по-силно изразен, отколкото при асиметрично захранване на процепите.

От патент на US 6018319 е известен антенен елемент със сходна на описаната по-горе структура. При това известно решение се предвижда специфично оформяне на захранващите микролентови линии, позволяващо намаляване на взаимното влияние между двата кръстосани процепа.

Недостатъкът на този антенен елемент е различният начин на възбуждане на двата процепа, което води до различни импедансни характеристики на двата входа на антената. От друга страна, двата процепа се възбуждат с различна ефективност, което е предпоставка за разлика в амплитудите на полето. При формиране на кръгова поляризация това води до влошаване на поляризационните свойства на антенния елемент.

Техническа същност на изобретението

Цел на настоящото изобретение е да се създаде антенен елемент с опростена конструкция, позволяващ увеличаване на широчината на честотната лента на излъчване при запазване на необходимите поляризационни характеристики на елемента.

Целта е постигната с антенен елемент съгласно изобретението, включващ базова плоча, в която са оформени два симетрично пресичащи се под прав ъгъл процепа, като над базовата плоча и на разстояние от нея е поместена микролентова излъчвателна планка, а под базовата плоча са разположени захранващи линии, намиращи се в електромагнитна връзка с процепите, при което единият край на всяка захранваща линия е входно-изходен терминал на антенния елемент, а другият й край е разположен след процепа, така че захранващата линия пресича перпендикулярно процепа, характеризиращ се с това, че краищата на захранващите линии, лежащи след процепите, са свързани чрез компенсиращ капацитивен елемент.

В един вариант компенсиращият капацитивен елемент е микролентов кондензатор.

В друг вариант капацитивният елемент е изпълнен като елемент със съсредоточени параметри.

Целесъобразно е захранващата линия да включва съгласуваща верига по импеданс.

Подходящо е участък от захранващата линия, разположен непосредствено след процепа, да изпълнява функцията на съгласуващ елемент по импеданс.

Предимство е захранващата линия да е микролентова линия, но тя може да бъде изпълнена и като симетрична или несиметрична лентова линия.

В един вариант на изпълнение на антенния елемент между излъчвателната планка и процепите е поместен диелектричен материал, запълващ поне частично пространството между тях.

В друг вариант на изпълнение на антенния елемент между базовата плоча и захранващите елементи е поместен диелектричен материал, запълващ поне частично пространството между тях.

Целесъобразно е базовата плоча, процепите и захранващите елементи да са изпълнени като слоеве на печатна платка.

Подходящо е също така микролентовата излъчвателна планка да има по същество радиално симетрична форма по отношение на двата процепа.

Целесъобразно е антенният елемент да включва допълнително още една или повече микролентови излъчвателни планки, разположени под формата на стек.

В друг предпочитан вариант на изпълнение на антенния елемент микролентовата излъчвателна планка е разположена в кухина, оформена от метални стени, заграждащи планката от всички страни.

При това изпълнение е целесъобразно кухината да е запълнена поне частично с диелектрик.

Предимствата на антенния елемент съгласно изобретението се състоят в неговата опростена от технологична гледна точка конструкция, полесното и по-евтиното му производство. Антенният елемент е също така с намалена взаимноиндуктивна връзка между двете симетрични части на структурата му, вследствие на което се подобряват две главни характеристики на елемента, а именно:

- крос-поляризационният компонент на излъчващото поле се намалява значително;

- по-добро съгласуване по импеданс, благодарение на компенсацията на реактивната част на импеданса на всеки входен терминал, с което основно се подобрява широчината на честотната лента по КСВ.

Друго предимство е възможността за компенсиране на увеличеното взаимно индуктивно влияние при преместване на точката на пресичане на процепите със съответните захранващи линии към центъра, чрез което се подобрява амплитудното разпределение на възбуждащия сигнал по дължината на процепа, вследствие на което се осигурява по-симетричен профил на диаграмата на насочено действие на антенния елемент.

Пояснение на приложените фигури

Фигура 1 показва антенния елемент съгласно изобретението в разглобен вид.

Фигура 2 представлява схематично изображение на антенния елемент съгласно изобретението.

Фигура 3 представлява електрическа схема на антенния елемент.

Фигура 4 представлява схематично изображение на един вариант на изпълнение на антенния елемент съгласно изобретението.

Фигура 5 е схематично изображение на вариант на изпълнение на антенния елемент с диелектричен материал, разположен между процепите и захранващите елементи.

Фигура 6 е схематично изображение на антенен елемент с две излъчвателни планки и диелектричен материал, разположен между процепите и захранващите елементи.

Фигура Ί показва вариант на изпълнение на антенния елемент с диелектричен материал, разположен между излъчвателната планка и процепите, и втори диелектричен материал, разположен между процепите и захранващите елемент.

Фигура 8 показва вариант на изпълнение на антенния елемент, при който излъчвателната планка е поместена в кухина.

Фигура 9 е аналогична на фиг. 8, но кухината е запълнена с диелектричен материал.

Примери за изпълнение на изобретението

Антенният елемент (фиг. 1 и 2) включва микролентова излъчвателна планка 1, която може да има произволна форма, осигуряваща необходимото електрическо действие. Особено подходяща обаче е кръглата форма на тази планка от гледна точка на възможностите за по-цялостно запълване на апертурата на една антенна решетка. Под излъчвателната планка 1 е разположена базовата плоча 2, в която са оформени два процепа 3, пресичащи се перпендикулярно в центъра. Откъм долната страна на базовата плоча 2 са разположени микролентови захранващи линии 4, така че да пресичат едно от рамената на съответния лежащ над тях процеп 3. Захранващите линии 4 могат да бъдат изпълнени и като симетрични или несиметрични лентови линии. Предпочитаната дължина на процепите 3 е по-малка от половината от ефективната дължина на вълната на електромагнитното поле. Всяка захранваща линия 4 е разположена по известен начин, така че да съответства на желаното влияние на процепа върху параметрите на предавателната линия. Единият край на всяка от захранващите линии 4 е свързан с входно-изходен терминал 5 на антенния елемент. Другият край на линията 4, намиращ се след точката на пресичане на линията 4 с процепа 3, е свързан със съответстващия край на втората линия 4 чрез кондензатор 6.

Антенният елемент включва съгласуваща верига по импеданс 7, която е целесъобразно да бъде четвъртвълнов трансформатор.

Възможно е също така да бъде оформен участък 8 от захранващата линия 4, намиращ се непосредствено под процепа 3 и служещ също за съгласуване по импеданс.

На фигура 3 е показана електрическата схема на свързване на елементите, изграждащи описаната по-горе конструкция на антенния елемент. От тази фигура се вижда паралелното свързване на компенсиращия капацитивен елемент 6, позволяващо постигането на посочените ефекти.

Вариантът на изпълнение на антенния елемент, показан на фиг. 4, е с капацитивен елемент 6, изпълнен като елемент със съсредоточени параметри, например кондензатор за повърхностен монтаж.

Изпълнението на антенния елемент, показано на фиг. 5, предвижда използването на две захранващи структури, включващи захранващите линии 4, компенсиращия капацитивен елемент 6, съгласуващите вериги по импеданс 7 и участъците 8, като между тези захранващи структури и базовата плоча 2 е поместен диелектричен материал 9. Диелектричният материал 9 може да запълва изцяло или частично пространството между базовата плоча 2 и захранващите структури.

Вариантът на изпълнение на антенния елемент, показан на фиг. 6, предвижда включване на втора излъчвателна планка 1, а в изпълнението, показано на фиг. 7, е предвидено включване на втори диелектричен материал 10, поместен между излъчвателната планка 1 и базовата плоча 2.

Друго възможно изпълнение на антенния елемент, показано на фиг. 8 и 9, е с поместване на излъчвателната планка 1 в кухина 11, оформена от метални стени, обграждащи планката 1 от всички страни. При това кухината 11 може да бъде запълнена с диелектричен материал 12, така както е показано на фиг. 9.

Друго възможно изпълнение на антенния елемент е чрез оформянето му в стек (фиг. 6).

Диелектричните материали 9,10 и 12 могат да бъдат в еднослойно или многослойно изпълнение.

Приложение на изобретението

Антенният елемент съгласно изобретението е приложим в случаите, когато е необходима двойна поляризация или превключване между поляризациите. В частност той може да се използва като градивен елемент в големи фазирани антенни решетки с управление на поляризацията. Антенният елемент е приложим както за антени с линейна поляризация, така и за антени с кръгова поляризация. Основното изискване е елементът да има два отделни входно-изходни терминала 5 за двете поляризации, при което той може да се използва директно за линейна поляризация, но чрез подходящо комбиниране (например чрез прилагане на фазово отместване на 90° на единия от входно-изходните терминали) може да бъде осъществена кръгова поляризация.

Действието на антенния елемент е следното.

Пресичането на захранващата линия 4 с процепа 3 е еквивалентно на натоварването на линията 4 с определен товар. Импедансът на този товар има определена индуктивна част, тъй като процепите 3 са по-къси от резонансната дължина. Тази реактивна част на товара се компенсира от участъка 8 за импедансно съгласуване, така че товарът придобива чисто активен характер. След това товарът се трансформира до импеданса на захранващата линия чрез съгласуваща верига по импеданс 7, която за предпочитане е изпълнена като четвъртвълнов трансформатор.

Основно входният импеданс на двувходов антенен елемент е получен от два компонента. Първият и по-значителен компонент е собственият импеданс на входа, а вторият е взаимният импеданс между двата входа. За получаване на чиста поляризация двата ортогонални мода трябва да бъдат чисто линейни. Това силно зависи от полето в процепите 3, което се влияе от взаимното индуктивно влияние. От електромагнитна гледна точка това се изразява в известно изкривяване на електрическото поле в процепите 3, така че в точката на пресичане полето има тангенциална съставяща, която е перпендикулярна на съседния процеп 3 и се разпространява лесно в него. Така известно количество от енергията на единия входно-изходен терминал 5 преминава в другия. Отчитано като параметър на предавателната линия, то ва свързване има индивидуален характер и може да бъде компенсирано чрез капацитивния елемент 6, включен между входовете 5 паралелно на процепите 3 (виж фиг.З). Капацитивният елемент 6 може да бъде изпълнен по различен начин, в зависимост от използваната технология за изработка на антенния елемент. Например, той може да бъде микролентов кондензатор или обикновен кондензатор за повърхностен монтаж.

Claims

1. Антенен елемент, включващ базова плоча, в която са оформени два симетрично пресичащи се под прав ъгъл процепа, като над базовата плоча и на разстояние от нея е поместена микролентова излъчвателна планка, а под базовата плоча са разположени захранващи линии, намиращи се в електромагнитна връзка с процепите, при което единият край на всяка захранваща линия е входно-изходен терминал на антенния елемент, а другият й край е разположен след процепа, така че захранващата линия пресича перпендикулярно процепа, характеризиращ се с това, че краищата на захранващите линии (4), лежащи след процепите (3), са свързани чрез компенсиращ капацитивен елемент (6).

2. Антенен елемент съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че компенсиращият капацитивен елемент (6) е микролентов кондензатор.

3. Антенен елемент съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че капацитивният елемент (6) е изпълнен като елемент със съсредоточени параметри.

4. Антенен елемент съгласно претенциите 1,2 или 3, характеризиращ се с това, че захранващата линия (4) включва съгласуваща верига по импеданс (7).

5. Антенен елемент съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че участъкът (8) от захранващата линия (4), разположен непосредстве но след процепа (3), изпълнява функцията на съгласуващ елемент по импеданс.

6. Антенен елемент съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че захранващата линия (4) е микролентова линия.

7. Антенен елемент съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че захранващата линия (4) е симетрична или несиметрична лентова линия.

8. Антенен елемент съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че между излъчвателната планка (1) и процепите (3) е поместен диелектричен материал (10), запълващ поне частично пространството между тях.

9. Антенен елемент съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че между базовата плоча (2) и захранващите линии (4) е поместен диелектричен материал (9), запълващ поне частично пространството между тях.

10. Антенен елемент съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че базовата плоча (2), процепите (3) и захранващите линии (4) са изпълнени като слоеве на печатна платка.

11. Антенен елемент съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че микролентовата излъчвателна планка (1) има по същество радиално симетрична форма по отношение на двата процепа (3).

12. Антенен елемент съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че включва допълнително една или повече микролентови излъчвателни планки (1), разположени под формата на стек.

13. Антенен елемент съгласно една от претенциите от 1 до 12, характеризиращ се с това, че микролентовата излъчвателна планка (1) е разположена в кухина (11), оформена от метални стени, заграждащи планката (1) от всички страни.

14. Антенен елемент съгласно претенция 13, характеризиращ се с това, че кухината (11) е запълнена поне частично с диелектричен материал (12).