RU2562406C2

RU2562406C2 - Narrow-band antenna of uhf-ehf ranges based on volumetric reflector

Info

Publication number: RU2562406C2
Application number: RU2013117107/08A
Authority: RU
Inventors: Валерий Иванович Николаев; Юрий Борисович Нечаев; Александр Семенович Ряховский
Original assignee: Акционерное общество "Концерн "Созвездие"
Priority date: 2013-04-15
Filing date: 2013-04-15
Publication date: 2015-09-10
Also published as: RU2013117107A

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: invention relates to antenna equipment and can be used for example in systems of mobile, cellular communication, as well as in radio relay systems. An antenna includes excitation sources and a reflector; with that, the antenna reflector is volumetric, in the form of a set of cylindrical resonators with side aperture, and excitation sources are located in apertures of resonators; with that, apertures of resonators are located in one plane.

EFFECT: simpler feed circuit of panel antennas, smaller transverse sizes and higher antenna amplification coefficient.

4 cl, 2 dwg

Description

Предлагаемое устройство относится к области антенной техники и может быть использовано в диапазонах УВЧ-КВЧ, например, на базовых станциях мобильной, сотовой связи, а также в радиорелейных системах.The proposed device relates to the field of antenna technology and can be used in the UHF-EHF bands, for example, at base stations of mobile, cellular communications, as well as in microwave systems.

Развитие сотовой связи, переход на системы 3-го и 4-го поколения требуют для уменьшения размера кластера применения секторных ячеек, для которых необходимы соответствующие секторные антенные устройства с шириной диаграммы направленности до 30° в горизонтальной плоскости и менее, а в перспективе - SMART-антенны.The development of cellular communications, the transition to 3rd and 4th generation systems require sector cells to reduce cluster size, which require appropriate sector antenna devices with a beam width of up to 30 ° in the horizontal plane and less, and in the future - SMART- antennas.

В радиорелейных системах коэффициент усиления антенных устройств должен составлять величину 20-30 дБ и более.In microwave systems, the gain of antenna devices should be 20-30 dB or more.

Известны антенные устройства с высокой направленностью для сотовых и радиорелейных систем, например панельная антенна UXM-1850-2170-90-13.5i-A фирмы Allgon, панельная антенна "Гирлянда-8 1900 фирмы НПК "Антенна XXI", 2003, «Антенное устройство с повышенной направленностью в Е-плоскости», патент РФ №2216831.Known antenna devices with high directivity for cellular and microwave systems, for example, a panel antenna UXM-1850-2170-90-13.5iA from Allgon, a panel antenna "Garland-8 1900 from NPK" Antenna XXI ", 2003," Antenna device with an increased directivity in the E-plane ", RF patent No. 2216831.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является панельная телевизионная антенна дециметровых волн «Бином-3» (Антенны, вып.12 (79), 2003 г., с.17), принятая за прототип.The closest in technical essence to the proposed one is the Binom-3 panel television decimeter wave antenna (Antennas, issue 12 (79), 2003, p.17), adopted as a prototype.

Антенна-прототип изображена на фиг.1, где обозначено:The antenna prototype is depicted in figure 1, where it is indicated:

1 - источники возбуждения - электрические вибраторы либо иные источники возбуждения (логопериодические, зигзагообразные и т.д.);1 - excitation sources - electric vibrators or other excitation sources (log-periodic, zigzag, etc.);

3 - плоский рефлектор.3 - flat reflector.

Обладая выраженными направленными свойствами, устройство-прототип имеет тот недостаток, что для повышения коэффициента усиления антенны необходимо увеличивать количество источников возбуждения 1, что увеличивает габариты антенны и усложняет схему питания.Possessing pronounced directional properties, the prototype device has the disadvantage that in order to increase the antenna gain it is necessary to increase the number of excitation sources 1, which increases the dimensions of the antenna and complicates the power supply circuit.

Задача предлагаемого технического решения - уменьшение поперечных размеров антенны, упрощение ее схемы питания и увеличение коэффициента усиленияThe objective of the proposed technical solution is to reduce the transverse dimensions of the antenna, simplifying its power circuit and increasing the gain

Для решения поставленной задачи в антенне, содержащей источники возбуждения и рефлектор, согласно изобретению, рефлектор выполнен объемным, в виде совокупность цилиндрических резонаторов с боковой апертурой, а источники возбуждения расположены в апертурах резонаторов либо вне резонаторов на некотором удалении от апертуры, причем апертуры резонаторов расположены в одной плоскости.To solve the problem in an antenna containing excitation sources and a reflector, according to the invention, the reflector is made three-dimensional, in the form of a set of cylindrical resonators with a side aperture, and the excitation sources are located in the apertures of the resonators or outside the resonators at some distance from the aperture, and the apertures of the resonators are located in one plane.

Предлагаемая антенна представлена на фиг.2а)-в), где обозначено:The proposed antenna is presented in figa) -c), where indicated:

1 - источники возбуждения;1 - sources of excitation;

2 - цилиндрический резонатор;2 - cylindrical resonator;

3 - объемный рефлектор (совокупность цилиндрических резонаторов).3 - volume reflector (a set of cylindrical resonators).

В предлагаемой антенне вместо плоского рефлектора используется объемный 3, представляющий собой совокупность цилиндрических резонаторов 2 (круговых, прямоугольных, треугольных и т.д.) с боковой апертурой, располагающихся в одной плоскости, возбуждаемых источниками возбуждения 1 в виде электрических вибраторов или решетки электрических вибраторов, а также иными источниками возбуждения (например, логопериодическими, зигзагообразными, рамочными и т.д.). Причем апертуры резонаторов 2 располагаются в одной плоскости.In the proposed antenna, instead of a flat reflector, a volume 3 is used, which is a combination of cylindrical resonators 2 (circular, rectangular, triangular, etc.) with a side aperture located in the same plane, excited by excitation sources 1 in the form of electric vibrators or an array of electric vibrators, as well as other sources of excitation (for example, log-periodic, zigzag, frame, etc.). Moreover, the aperture of the resonators 2 are located in the same plane.

Система источников возбуждения может представлять собой полосковую структуру и, в целях упрощения конструкции, может быть расположена на твердой подложке (текстолит, керамика), прикладываемой к объемному рефлектору 3 со стороны апертур цилиндрических резонаторов 2. Каждый элемент всей антенной структуры представляет собой, по сути, антенное устройство с повышенной направленностью в E-плоскости, содержащее металлический рефлектор, выполненный в виде полой цилиндрической поверхности высотой (2-40) λ, где λ - длина волны, с вырезанной вдоль образующей частью цилиндрической поверхности шириной (0,3-0,7)λ и обладающей свойствами частично направляющей системы. При этом источник возбуждения (электрический вибратор) расположен внутри рефлектора (патент РФ №2216831, H01Q).The system of excitation sources can be a strip structure and, in order to simplify the design, can be located on a solid substrate (textolite, ceramics) applied to the volume reflector 3 from the side of the apertures of the cylindrical resonators 2. Each element of the entire antenna structure is, in fact, an antenna device with an increased directivity in the E-plane, containing a metal reflector made in the form of a hollow cylindrical surface with a height of (2-40) λ, where λ is the wavelength, with cut along developing part of a cylindrical surface with a width of (0.3-0.7) λ and having the properties of a partially guiding system. The excitation source (electric vibrator) is located inside the reflector (RF patent No. 2216831, H01Q).

Однако в отличие от него источники возбуждения 1 располагаются не внутри цилиндрических резонаторов 2, а либо в апертурах цилиндрических резонаторов 2, либо вне резонаторов на некотором удалении от них. Цилиндрические резонаторы 2 могут быть круговой, прямоугольной, треугольной или иной формы.However, unlike it, the excitation sources 1 are located not inside the cylindrical resonators 2, but either in the apertures of the cylindrical resonators 2 or outside the resonators at some distance from them. The cylindrical resonators 2 can be circular, rectangular, triangular or other shape.

Функционирует предлагаемая антенна следующим образом.The proposed antenna operates as follows.

Каждый из источников возбуждения 1, который располагается в боковой апертуре цилиндрического резонатора 2 или на некотором удалении от нее, возбуждает вокруг себя электромагнитное поле, распространяющееся в той или иной степени во всех направлениях в H-плоскости. Часть электромагнитной энергии, распространяемая в направлении данного объемного рефлектора 3, отражается от кромок боковых вырезов, а также затекает внутрь цилиндров. При характерном поперечном размере цилиндров (для случая кругового цилиндра это диаметр), равном ~0.7λ, в боковой апертуре каждого цилиндрического резонатора 2 формируется, в зависимости от геометрических параметров, определенное распределение магнитного тока, дающее направленное излучение, эквивалентное применению решеток излучателей. Суммарное электромагнитное поле, состоящее из трех частей: поля от источников возбуждения, поля, отраженного от кромок боковых вырезов, и поля цилиндрических резонаторов - обладает ярко выраженной направленностью. И предлагаемая антенна имеет коэффициент усиления на 8-9 дБ больше, чем традиционная панельная антенна с плоским рефлектором, в которой поле формируется из двух частей: поля источников возбуждения и отраженного от рефлектора поля.Each of the excitation sources 1, which is located in the lateral aperture of the cylindrical resonator 2 or at some distance from it, excites an electromagnetic field around itself, propagating to one degree or another in all directions in the H-plane. Part of the electromagnetic energy distributed in the direction of this volume reflector 3 is reflected from the edges of the side cutouts, and also flows into the cylinders. With a characteristic transverse size of the cylinders (for a circular cylinder this is the diameter) equal to ~ 0.7λ, a certain distribution of magnetic current is formed in the lateral aperture of each cylindrical resonator 2, which gives directional radiation equivalent to the use of emitter gratings. The total electromagnetic field, which consists of three parts: the field from the excitation sources, the field reflected from the edges of the side cutouts, and the field of cylindrical resonators - has a pronounced directivity. And the proposed antenna has a gain of 8-9 dB more than a traditional panel antenna with a flat reflector, in which the field is formed from two parts: the field of the excitation sources and the field reflected from the reflector.

Техническим результатом предлагаемой антенны является увеличение коэффициента усиления на 8-9 дБ по сравнению со случаем применения плоского рефлектора в традиционных панельных антеннах, причем без увеличения числа источников возбуждения.The technical result of the proposed antenna is to increase the gain by 8-9 dB compared with the case of using a flat reflector in traditional panel antennas, and without increasing the number of excitation sources.

Отличительной особенностью предлагаемой антенны является возможность увеличения коэффициента усиления предлагаемой антенны без увеличения числа источников возбуждения и, как следствие, без увеличения поперечных размеров, за счет использования совокупности цилиндрических резонаторов с боковой апертурой.A distinctive feature of the proposed antenna is the ability to increase the gain of the proposed antenna without increasing the number of excitation sources and, as a result, without increasing the transverse dimensions, due to the use of a combination of cylindrical resonators with side aperture.

Claims

1. A narrowly directed antenna of the UHF-EHF bands, containing excitation sources and a reflector, characterized in that the reflector is three-dimensional, in the form of a combination of cylindrical resonators with a side aperture, and the excitation sources are located in the apertures of the resonators, and the apertures of the resonators are located in the same plane.

2. The antenna according to claim 1, characterized in that the excitation sources are made in the form of electric vibrators.

3. The antenna according to claim 1, characterized in that the excitation sources are log-periodic structures.

4. The antenna according to claim 1, characterized in that the excitation sources are frame.