PL246184B1 - Antenna with electronically steered beam type ESPAR - Google Patents
Antenna with electronically steered beam type ESPAR Download PDFInfo
- Publication number
- PL246184B1 PL246184B1 PL439416A PL43941621A PL246184B1 PL 246184 B1 PL246184 B1 PL 246184B1 PL 439416 A PL439416 A PL 439416A PL 43941621 A PL43941621 A PL 43941621A PL 246184 B1 PL246184 B1 PL 246184B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- antenna
- base
- ring
- housing
- range
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 37
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 29
- 230000005404 monopole Effects 0.000 claims abstract description 13
- 238000013461 design Methods 0.000 description 12
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 8
- 229920000122 acrylonitrile butadiene styrene Polymers 0.000 description 6
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 6
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 4
- XECAHXYUAAWDEL-UHFFFAOYSA-N acrylonitrile butadiene styrene Chemical compound C=CC=C.C=CC#N.C=CC1=CC=CC=C1 XECAHXYUAAWDEL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000004676 acrylonitrile butadiene styrene Substances 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 3
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 2
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 230000036039 immunity Effects 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Aerials With Secondary Devices (AREA)
- Details Of Aerials (AREA)
Abstract
Antena z elektronicznie sterowaną wiązką ESPAR zawierająca podstawę (4) anteny bazowej ESPAR (3) stanowiącej płaszczyznę masy, element aktywny (5) w formie anteny monopolowej, elementy pasywne (6) w formie anten monopolowych, złącze współosiowe, jednowrotnik o elektronicznie sterowanej impedancji, charakteryzuje się tym, że zastosowano obudowę modyfikującą charakterystykę promieniowania w płaszczyźnie elewacyjnej, w ten sposób, że konstrukcję anteny bazowej (3) zamyka się w obudowie, której zasadniczą częścią jest pierścień dielektryczny, wykonany z materiału o względnej przenikalności elektrycznej w zakresie od 2 do 20, przy czym promień pierścienia w przekroju poprzecznym przez pierścień zawiera się w zakresie od 0,5 λ<sub>0</sub> do 1 długość fali w wolnej przestrzeni λ<sub>0</sub>, natomiast promień pierścienia w przekroju podłużnym, zawiera się w zakresie od 0,05 λ<sub>0</sub> do 0,2 λ<sub>0</sub>, a ponadto pierścień osadzony jest w odległości H od podstawy (4) anteny bazowej (3) zawierającej się w zakresie od -0,3 λ<sub>0</sub> do 0,3 λ<sub>0</sub> oraz jest do niej równoległy.An electronically steered ESPAR beam antenna comprising a base (4) of an ESPAR base antenna (3) constituting a ground plane, an active element (5) in the form of a monopole antenna, passive elements (6) in the form of monopole antennas, a coaxial connector, and an electronically controlled impedance single-port, characterized in that a housing has been used that modifies the radiation characteristics in the elevation plane, in such a way that the base antenna structure (3) is enclosed in a housing whose essential part is a dielectric ring made of a material with a relative permittivity in the range from 2 to 20, wherein the radius of the ring in the cross-section through the ring is in the range from 0.5 λ<sub>0</sub> to 1 wavelength in free space λ<sub>0</sub>, while the radius of the ring in the longitudinal section is in the range from 0.05 λ<sub>0</sub> to 0.2 λ<sub>0</sub>, and furthermore the ring is mounted at a distance H from the base (4) of the base antenna (3) within the range from -0.3 λ<sub>0</sub> to 0.3 λ<sub>0</sub> and is parallel to it.
Description
Opis wynalazkuDescription of the invention
Wynalazek dotyczy konstrukcji anteny z elektronicznie sterowaną wiązką w płaszczyźnie horyzontalnej typu ESPAR z opracowanymi elementami modyfikującymi jej charakterystykę promieniowania w płaszczyźnie elewacyjnej. Wynalazek ma zastosowanie w systemach komunikacji bezprzewodowej, gdzie wprowadza funkcjonalność sterowania kierunkiem promieniowania i możliwość adaptacji kształtu charakterystyki promieniowania anteny do konkretnych warunków.The invention relates to the construction of an antenna with an electronically controlled beam in the horizontal plane of the ESPAR type with developed elements modifying its radiation characteristics in the elevation plane. The invention is used in wireless communication systems, where it introduces the functionality of controlling the radiation direction and the possibility of adapting the shape of the antenna's radiation characteristics to specific conditions.
Znane są anteny rekonfigurowalne będące w stanie wykryć kierunek, z którego nadaje konkretne urządzenie radiowe i skierować swoją wiązkę główną w tę stronę. Właściwością pozwalającą tego dokonać jest możliwość kształtowania charakterystyki promieniowania, która typowo osiągana jest poprzez zastosowane szyków antenowych z możliwością sterowania zależnościami fazowymi pomiędzy elementami. Implementacja takiego rozwiązania wymaga zastosowania drogich elementów jakimi są przesuwniki fazy oraz zaprojektowania skomplikowanej sieci zasilającej poszczególne elementy, która również negatywnie wpływa na efektywność energetyczną anteny. Cechy te sprawiają, że anteny tego typu nie nadają się do zastosowania w prostych urządzeniach np. Internetu Rzeczy (ang. loT - Internetof-Things), lub bezprzewodowych sieciach sensorowych (ang. WSN - Wireless Sensor Network).There are known reconfigurable antennas that are able to detect the direction from which a specific radio device is transmitting and direct its main beam in that direction. The feature that allows this to be done is the ability to shape the radiation pattern, which is typically achieved by using antenna arrays with the ability to control the phase relationships between elements. Implementing such a solution requires the use of expensive elements such as phase shifters and designing a complex network to power individual elements, which also negatively affects the energy efficiency of the antenna. These features make antennas of this type unsuitable for use in simple devices such as the Internet of Things (loT) or wireless sensor networks (WSN).
Odpowiedzią na potrzeby tego typu systemów są anteny typu ESPAR (ang. Electronically Steerable Parasitic Array Radiator), czyli grupa anten osiągająca funkcjonalność kształtowania wiązki dzięki zastosowaniu elementów pasożytniczych/pasywnych, czyli takich, do których nie doprowadza się sygnału pobudzającego. Typowa konstrukcja anteny ESPAR, znana np. z opisu patentowego US6606057, składa się z pojedynczego elementu aktywnego, który pobudzany jest za pomocą sygnału radiowego i otaczających go kilku elementów pasywnych, podłączonych jedynie do jednowrotnika (układu mikrofalowego o jednych wrotach będących jednocześnie wejściem i wyjściem układu) o elektronicznie sterowanej impedancji. Znane są konstrukcje zarówno nieposiadające płaszczyzny masy, np. oparte o elementy w formie anten dipolowych, jak i takie, które posiadają płaszczyznę masy np. oparte o umieszczone nad nią elementy monopolowe. Druga z wymienionych opcji jest szczególnie wartościowa z perspektywy możliwych zastosowań, gdyż wspomniana płaszczyzna masy pozwala umieścić na jej spodniej warstwie układ sterujący, zmniejszając tym samym jego wpływ na działanie anteny.The answer to the needs of such systems are ESPAR (Electronically Steerable Parasitic Array Radiator) antennas, i.e. a group of antennas that achieve beamforming functionality by using parasitic/passive elements, i.e. those to which no excitation signal is supplied. A typical ESPAR antenna design, known e.g. from patent description US6606057, consists of a single active element, which is excited by a radio signal and several passive elements surrounding it, connected only to a single-port (a microwave system with one port that is both the input and output of the system) with electronically controlled impedance. There are known designs that do not have a ground plane, e.g. based on elements in the form of dipole antennas, as well as those that have a ground plane, e.g. based on monopole elements placed above it. The second of the above options is particularly valuable from the perspective of possible applications, because the mentioned ground plane allows the control system to be placed on its bottom layer, thus reducing its impact on the operation of the antenna.
Wykorzystanie płaszczyzny masy niesie za sobą konsekwencję w postaci podniesienia kierunku wiązki głównej w płaszczyźnie elewacyjnej, (typowo jest to ok. 60° względem kierunku prostopadłego do płaszczyzny masy). Taka właściwość może być niepożądana, np. w przypadku, gdy urządzenia, z którymi ma nastąpić komunikacja radiowa znajdują się w płaszczyźnie horyzontalnej anteny. W związku z tym powstały konstrukcje pozwalające na uzyskanie horyzontalnego kierunku promieniowania, znane np. z publikacji R. Schlub and D. V. Thiel, Switched parasitic antenna on a finite ground plane with conductive sleeve, in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 52, no. 5, pp. 1343-1347, May 2004, doi: 10.1109/TAP.2004.827504, gdzie wykorzystano w tym celu metalowy kołnierz dołączony do krawędzi płaszczyzny masy. Z kolei w konstrukcji znanej z opisu patentowego US6606057B2 zastosowano, otaczający elementy pasywne, ustawiony na płaszczyźnie masy dielektryczny pierścień, który oprócz uzyskania horyzontalnego kierunku maksymalnego promieniowania ma również zwiększać zysk anteny. W obu tych przypadkach do osiągnięcia celu wymagana jest modyfikacja projektu bazowego anteny (przed wprowadzeniem dodatkowych elementów) w zakresie modyfikacji płaszczyzny masy, czy dostrojenia impedancji jednowrotników podłączonych do elementów pasywnych.The use of a ground plane has the consequence of raising the main beam direction in the elevation plane (typically about 60° relative to the direction perpendicular to the ground plane). This property may be undesirable, for example, when the devices with which radio communication is to take place are located in the horizontal plane of the antenna. In connection with this, structures have been developed that allow for obtaining a horizontal radiation direction, known, for example, from the publication by R. Schlub and D. V. Thiel, Switched parasitic antenna on a finite ground plane with conductive sleeve, in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 52, no. 5, pp. 1343-1347, May 2004, doi: 10.1109/TAP.2004.827504, where a metal collar attached to the edge of the ground plane was used for this purpose. In turn, in the design known from the patent description US6606057B2, a dielectric ring placed on the ground plane, surrounding the passive elements, was used, which, in addition to obtaining the horizontal direction of maximum radiation, is also to increase the antenna gain. In both cases, to achieve the goal, modification of the basic antenna design (before introducing additional elements) is required in terms of modifying the ground plane or tuning the impedance of single-ports connected to the passive elements.
W opisanych wcześniej konstrukcjach anten typu ESPAR elementy odpowiadające za możliwość przełączania kierunku wiązki głównej anteny w płaszczyźnie horyzontalnej pozwalają również na stosunkowo swobodny dobór parametrów charakterystyki promieniowania w przekroju horyzontalnym (np. szerokość wiązki trzydecybelowej). Problem stanowi natomiast optymalizacja kształtu w przekroju elewacyjnym. Zwykle charakterystyka w tym przekroju nachylona jest pod pewnym stałym, związanym z konstrukcją anteny kątem. W przypadku anteny opartej o monopole jest to ok. 60° względem kierunku prostopadłego do płaszczyzny masy. Podobnie trudność stanowi konfigurowanie szerokości trzydecybelowej w przekroju elewacyjnym.In the previously described ESPAR antenna designs, the elements responsible for the ability to switch the direction of the antenna's main beam in the horizontal plane also allow for a relatively free selection of radiation pattern parameters in the horizontal cross-section (e.g. the three-decibel beam width). The problem, however, is the optimization of the shape in the elevation cross-section. Usually, the pattern in this cross-section is inclined at a certain fixed angle related to the antenna design. In the case of an antenna based on monopoles, this is about 60° relative to the direction perpendicular to the ground plane. Configuring the three-decibel width in the elevation cross-section is similarly difficult.
Taka sytuacja może być nieoptymalna w zależności od przestrzennego rozkładu urządzeń komunikujących się z anteną. W każdym praktycznym przypadku komunikacji bezprzewodowej pożądane jest, aby możliwie duża część mocy była wypromieniowana w stronę tych urządzeń. Z jednej strony poprawia to jakość połączenia z nimi, z drugiej zmniejsza podatność na sygnały niepożądane, nadchodzące z innych kierunków.This situation may be suboptimal depending on the spatial layout of the devices communicating with the antenna. In every practical case of wireless communication, it is desirable for as much power as possible to be radiated towards these devices. On the one hand, this improves the quality of the connection with them, on the other hand it reduces susceptibility to unwanted signals coming from other directions.
Tak jak wspomniano wcześniej maksimum promieniowania dla znanej anteny ESPAR bazującej na elementach monopolowych wypada na ok. 60°. Zatem dla przypadku gdy antena 1 zamontowana jest na suficie pomieszczenia, łącze bezprzewodowe ma najlepsze parametry w sytuacji przedstawionej na rysunku obrazującym stan techniki - fig. 9, czyli gdy urządzenia bezprzewodowe 2 znajdują się na wysokości zbliżonej do h2, czyli właśnie pod kątem, na którym znajduje się maksimum promieniowania. Natomiast, w przypadku przedstawionym na rysunku obrazującym stan techniki na fig. 10, gdy urządzenia 2 znajdują się na zbliżonej wysokości (np. na wysokości hi, lub również na suficie) wówczas poprawę parametrów przyniosłoby zwiększenie kąta nachylanie wiązki (>60°) oraz analogicznie, w przypadku przedstawionym na rysunku obrazującym stan techniki fig. 11 korzystne byłoby zmniejszenie nachylenia (<60°). Z kolei w sytuacji przedstawionej na rysunku obrazującym stan techniki - na fig. 12, gdy urządzenia bezprzewodowe 2 znajdują się na różnych wysokościach, poszerzenie wiązki, tak żeby możliwie równomiernie pokrywała szeroki zakres kątowy zapewnieni zbliżone warunki komunikacji dla wszystkich urządzeń.As mentioned earlier, the maximum radiation for the known ESPAR antenna based on monopole elements is approximately 60°. Therefore, for the case when antenna 1 is mounted on the ceiling of a room, the wireless link has the best parameters in the situation shown in the drawing illustrating the state of the art - fig. 9, i.e. when wireless devices 2 are located at a height close to h2, i.e. at the angle at which the maximum radiation is located. On the other hand, in the case shown in the drawing illustrating the state of the art in fig. 10, when devices 2 are located at a similar height (e.g. at height hi, or also on the ceiling), then the improvement of the parameters would be brought about by increasing the beam tilt angle (>60°) and similarly, in the case shown in the drawing illustrating the state of the art in fig. 11, it would be beneficial to reduce the tilt (<60°). In turn, in the situation shown in the drawing illustrating the state of the art - Fig. 12, when the wireless devices 2 are located at different heights, broadening the beam so that it covers a wide angular range as evenly as possible will ensure similar communication conditions for all devices.
Zatem, wymagania co do charakterystyki promieniowania będą inne, gdy urządzenia znajdują się na zbliżonej wysokości (np. antena na pojeździe autonomicznym) i inne gdy zamontowane będą znacznie niżej od niej (np. antena na suficie hali magazynowej). Trzecim przykładem może być sytuacja, w której nie można określić pojedynczego kierunku (w elewacji), w którym się znajdują się urządzenia, wówczas najlepiej byłoby zapewnić jak najbardziej równomierne pokrycie całej przestrzeni w kierunku elewacyjnym.Therefore, the requirements for the radiation pattern will be different when the devices are located at a similar height (e.g. an antenna on an autonomous vehicle) and different when they are mounted much lower (e.g. an antenna on the ceiling of a warehouse). A third example would be a situation in which it is impossible to determine a single direction (in the elevation) in which the devices are located, then it would be best to ensure the most uniform coverage of the entire space in the elevation direction.
Tak jak napisano wcześniej, znane są już konstrukcje kierujące wiązkę główną w stronę kierunku zgodnego z płaszczyzną masy anteny, brakuje natomiast uniwersalnego rozwiązania pozwalającego osiągnąć również inne zależne od konkretnego zastosowania cele: skierowanie wiązki w celu osiagnięcia maksimum promieniowania w innym kierunku niż horyzontalny czy poszerzenie wiązki trzydecybelowej w celu zapewnienia pokrycia maksymalnego zakresu kątowego dla równomiernego wypromieniowywania energii w kierunku elewacyjnym. Aby rozwiązanie można było łatwo zastosować w praktyce oraz dopasować do wymaganych zastosowań, bardzo ważne jest również, aby nie wymagało modyfikacji konstrukcji anteny bazowej, tzn. żeby w prosty sposób pozwalało dostosować tę samą antenę do różnych sytuacji.As previously mentioned, there are already known structures that direct the main beam towards the direction consistent with the antenna mass plane, but there is no universal solution that would also allow for achieving other goals that depend on the specific application: directing the beam to achieve maximum radiation in a direction other than horizontal or broadening the three-decibel beam to ensure coverage of the maximum angular range for uniform radiation of energy in the elevation direction. In order for the solution to be easily implemented in practice and adapted to the required applications, it is also very important that it does not require modification of the base antenna structure, i.e. that it allows for easy adaptation of the same antenna to different situations.
Stąd cel wynalazku, czyli opracowanie rozwiązania umożliwiającego łatwe dostosowanie charakterystyki raz wyprodukowanej anteny bazowej do konkretnych potrzeb. Cel został uzyskany dzięki wprowadzeniu cech obudowy anteny, która zmienia kształt charakterystyki promieniowania w płaszczyźnie elewacyjnej. Wynalazek pozwoli na zmianę kształtu elewacyjnego przekroju charakterystyki promieniowania, a nie tylko horyzontalnego jak w znanych antenach ESPAR, i tym samym umożliwi stosowanie tej samej anteny bazowej w różnych konfiguracjach przestrzennych urządzeń (sytuacje przedstawione na fig. 9-12) wyłącznie poprzez proste dostosowanie cech obudowy według wynalazku, która w zasadniczej części zbudowana jest z pierścienia. Tym samym użycie wynalazku pozwoli na poprawienie jakości transmisji, zwiększając tym samym odporność na zakłócenia i poprawiając dokładność algorytmów estymujących kąt nadchodzących sygnałów.Hence the purpose of the invention, i.e. development of a solution enabling easy adjustment of the characteristics of a once manufactured base antenna to specific needs. The purpose was achieved by introducing features of the antenna housing, which changes the shape of the radiation pattern in the elevation plane. The invention will allow changing the shape of the elevation cross-section of the radiation pattern, and not only the horizontal one as in known ESPAR antennas, and thus will enable the use of the same base antenna in various spatial configurations of devices (situations shown in fig. 9-12) only by simple adjustment of the features of the housing according to the invention, which in its basic part is made of a ring. Thus, the use of the invention will allow improving the quality of transmission, thereby increasing resistance to interference and improving the accuracy of algorithms estimating the angle of incoming signals.
Wynalazek dotyczy konstrukcji anteny z elektronicznie sterowaną wiązką typu ESPAR - która jest znana i stanowi bazową antenę, której charakterystykę promieniowania modyfikuje się poprzez obudowę zawierającą w podstawowej - bazowej, istotnej części pierścień dielektryczny, zwanym dalej i zamiennie pierścieniem, który pozwala na zmianę charakterystyki promieniowania w płaszczyźnie elewacyjnej.The invention relates to the construction of an antenna with an electronically steered ESPAR type beam - which is known and constitutes a basic antenna, the radiation characteristics of which are modified by a housing containing in its basic - base, essential part a dielectric ring, hereinafter and interchangeably referred to as a ring, which allows for changing the radiation characteristics in the elevation plane.
W opisie stosuje się antena bazowa - czyli znana - bez obudowy z pierścieniem. Antena wg. wynalazku - to zamknięta w obudowie, której zasadniczą częścią jest pierścień - czyli jest to antena z obudową do modyfikacji charakterystyki promieniowania. Wykorzystanie bazowej anteny ESPAR umożliwia sterowanie kierunkiem promieniowania w płaszczyźnie horyzontalnej, natomiast znamienną cechą anteny według wynalazku jest modyfikacja kształtu charakterystyki promieniowania w płaszczyźnie elewacyjnym dzięki opracowanym cechom wprowadzonego pierścienia dielektrycznego, będącego częścią całej obudowy.The description uses a base antenna - i.e. known - without a housing with a ring. The antenna according to the invention - is enclosed in a housing, the main part of which is a ring - i.e. it is an antenna with a housing for modifying the radiation pattern. The use of the base ESPAR antenna allows for controlling the direction of radiation in the horizontal plane, while a significant feature of the antenna according to the invention is the modification of the shape of the radiation pattern in the elevation plane thanks to the developed features of the introduced dielectric ring, which is part of the entire housing.
Pod pojęciem pierścienia rozumie się bryłę geometryczną ograniczoną powierzchnią toroidu, czyli powstałą w skutek obrotu dowolnej płaskiej krzywej zamkniętej wokół osi leżącej w płaszczyźnie tej krzywej, ale nieprzecinającej jej.A ring is understood as a geometric body bounded by the surface of a toroid, i.e. created by the rotation of any flat curve closed around an axis lying in the plane of this curve but not intersecting it.
Według wynalazku oś obrotu przechodzi przez środek podstawy anteny bazowej i jest do niej prostopadła, zatem pierścień osadzony jest równolegle do podstawy anteny, a jego środek pokrywa się ze środkiem podstawy anteny bazowej.According to the invention, the axis of rotation passes through the centre of the base of the base antenna and is perpendicular to it, therefore the ring is mounted parallel to the base of the antenna and its centre coincides with the centre of the base of the base antenna.
Korzystnie, gdy obracaną krzywą zamkniętą - figura w przekroju podłużnym przez pierścień i tworzącą pierścień, widoczną w przekroju podłużnym pierścienia jest okrąg, wówczas promień takiego okręgu dalej nazywany jest promieniem przekroju podłużnego pierścienia Ro. Innym możliwym kształtem jest wielokąt foremny. W obu tych przypadkach - pierścienia w kształcie okręgu w przekroju podłużnym i wielokąta foremnego można wskazać promień okręgu, w przypadku wielokąta jest to promień okręgu opisanego na tym wielokącie, nazywany wspólnie jako Ro - promień przekroju podłużnego pierścienia. Korzystnym przykładem wielokąta foremnego może być ośmiokąt, wówczas promień opisanego na nim okręgu dalej nazywany jest promieniem przekroju podłużnego pierścienia Ro.Preferably, when the rotated closed curve - figure in the longitudinal section through the ring and forming the ring, visible in the longitudinal section of the ring is a circle, then the radius of such a circle is hereinafter referred to as the radius of the longitudinal section of the ring Ro. Another possible shape is a regular polygon. In both of these cases - a ring in the shape of a circle in the longitudinal section and a regular polygon, the radius of the circle can be indicated, in the case of a polygon it is the radius of the circle described on this polygon, collectively referred to as Ro - the radius of the longitudinal section of the ring. A preferred example of a regular polygon can be an octagon, then the radius of the circle described on it is hereinafter referred to as the radius of the longitudinal section of the ring Ro.
Odległość środka okręgu (lub okręgu opisanego na wielokącie foremnym) od osi obrotu - czyli do środka podstawy anteny bazowej w przekroju poprzecznym, dalej nazywana jest promieniem pierścienia R, natomiast odległość środka okręgu (lub okręgu opisanego na wielokącie foremnym) od płaszczyzny, w której znajduje się podstawa anteny dalej nazywana jest odległością pierścienia od podstawy anteny bazowej H. Pierścień może znajdować się zarówno w płaszczyźnie podstawy anteny bazowej (H = 0), jak i ponad (H > 0) lub pod (H < 0) nią ale zawsze równolegle do płaszczyzny podstawy anteny bazowej.The distance of the center of the circle (or the circle circumscribed about the regular polygon) from the axis of rotation - i.e. to the center of the base of the base antenna in the cross-section, is hereinafter referred to as the ring radius R, while the distance of the center of the circle (or the circle circumscribed about the regular polygon) from the plane in which the base of the antenna is located is hereinafter referred to as the distance of the ring from the base of the base antenna H. The ring can be located both in the plane of the base antenna base (H = 0), as well as above (H > 0) or below (H < 0) it, but always parallel to the plane of the base antenna base.
W związku z tym istnieją konfiguracje, w których pierścień styka się z podstawą anteny bazowej - np. kiedy Ro > |H|, a R jest mniejsze od promienia podstawy anteny bazowej. Fakt ten nie wpływa jednak na działanie wynalazku. Istnieją również konfiguracje, w których pierścień nie styka się z podstawą anteny bazowej, np. kiedy Ro < |H| i R jest większe od promienia podstawy anteny bazowej.Therefore, there are configurations in which the ring is in contact with the base of the base antenna - e.g. when Ro > |H|, and R is smaller than the radius of the base antenna base. However, this fact does not affect the operation of the invention. There are also configurations in which the ring is not in contact with the base antenna base, e.g. when Ro < |H| and R is larger than the radius of the base antenna base.
Ponadto, według wynalazku dobrano następujące cechy pierścienia dielektrycznego: promień pierścienia w przekroju poprzecznym R, promień przekroju podłużnego pierścienia Ro, odległość pierścienia od podstawy anteny bazowej H oraz względną przenikalność elektryczną materiału, z którego jest wykonany pierścień. Tym sposobem osiąga się pożądaną modyfikację charakterystyki promieniowania. Istota wynalazku to względna przenikalność elektryczna materiału, z którego wykonany jest pierścień zawierająca się w zakresie od 2 do 20, promień pierścienia R zawierający się w zakresie od 0,5 λ0 do 1 λ0, promień przekroju podłużnego pierścienia Ro zawierający się w zakresie od 0,05 λ0 do 0,2 λ0 i odległość pierścienia od podstawy anteny H zawierająca się w zakresie w zakresie od -0,3 λ0 do 0,3 λ0. λ0 to długość fali elektromagnetycznej w wolnej przestrzeni. Dobrany zakres przenikalności materiału, z którego zbudowany jest pierścień dielektryczny potwierdzono w przykładach wykonania.In addition, according to the invention, the following features of the dielectric ring were selected: the radius of the ring in the cross section R, the radius of the longitudinal section of the ring Ro, the distance of the ring from the base antenna H and the relative permittivity of the material from which the ring is made. In this way, the desired modification of the radiation characteristics is achieved. The essence of the invention is the relative permittivity of the material from which the ring is made, which is in the range from 2 to 20, the radius of the ring R, which is in the range from 0.5 λ0 to 1 λ0, the radius of the longitudinal section of the ring Ro, which is in the range from 0.05 λ0 to 0.2 λ0 and the distance of the ring from the base antenna H, which is in the range from -0.3 λ0 to 0.3 λ0. λ0 is the length of the electromagnetic wave in free space. The selected range of permittivity of the material from which the dielectric ring is made was confirmed in the examples of embodiments.
W korzystnym wariancie wykonania obudowy pierścień stanowi jeden z elementów obudowy anteny, której pozostałe elementy: podstawa i pokrywa w całości zasłaniają/zamykają antenę bazową i pierścień, tworząc jedną bryłę - pierścień od góry wraz z anteną bazową osłonięty jest pokrywą, zaś od dołu podstawą. Te dodatkowe elementy obudowy w tym wariancie wykonania wynalazku umożliwiają osadzenie pierścienia i całkowite osłonięcie anteny bazowej. Przez osadzenie rozumie się trwałe połączenie z podstawą lub pokrywą, dzięki czemu zapewnione jest odpowiednie spozycjonowanie pierścienia względem anteny bazowej. Pierścień osadzony jest zatem w podstawie lub pokrywie. W tym wariancie dobrano również materiał z jakiego wykonane są dodatkowe elementy obudowy - korzystnie zatem pokrywa i podstawa obudowy wykonane są z materiału o względnej przenikalności elektrycznej w zakresie 1,01-3. Korzystnie jest jak materiał, z jakiego wykonany jest pierścień był wyższy.In a preferred embodiment of the housing, the ring is one of the elements of the antenna housing, the remaining elements of which: the base and the cover completely cover/close the base antenna and the ring, creating one solid - the ring is covered from the top together with the base antenna by the cover, and from the bottom by the base. These additional housing elements in this embodiment of the invention enable the ring to be mounted and the base antenna to be completely covered. By mounting is meant a permanent connection with the base or cover, thanks to which the ring is properly positioned in relation to the base antenna. The ring is therefore mounted in the base or cover. In this embodiment, the material from which the additional housing elements are made has also been selected - therefore, preferably, the cover and the base of the housing are made of a material with a relative electrical permittivity in the range of 1.01-3. It is advantageous if the material from which the ring is made is higher.
Dzięki temu obudowa anteny, oprócz standardowej poprawy własności mechanicznych i zwiększenia odporności na warunki zewnętrzne, zapewniania właściwe spozycjonowanie pierścienia względem anteny bazowej, eliminując tym samym potrzebę wprowadzania dodatkowych elementów pozycjonujących. W zależności od odległości od podstawy anteny bazowej pierścień może być bezpośrednio/stykowo połączony z podstawą obudowy (H < 0) lub pokrywą obudowy (H > 0). Kształt i wymiary podstawy i pokrywy obudowy wynikają z parametrów według wynalazku - R, H, Ro i nie jest szczegółowo sprecyzowane, wymaga się jedynie, aby podstawa wraz z pokrywą pozwalały na odpowiednie spozycjonowanie pierścienia względem anteny bazowej oraz zamykały przestrzeń wokół anteny bazowej i pierścienia - zamykając go wewnątrz. Istotnym jest aby materiał z jakiego są wyprodukowane są pokrywa i podstawa obudowy, w tym wariancie wykonania, charakteryzował się niską względną przenikalnością elektryczną w zakresie 1,01-3, może to być ten sam materiał, którego zbudowany jest pierścień lub inny - korzystny wariant gdy przenikalność elektryczna materiału pierścienia jest stosunkowo wysoka, wyższa niż materiału jaki buduje pokrywę i podstawę obudowy - większa niż 3. Zatem, warianty dobrania materiału z którego wykonane są poszczególne elementy obudowy to: pierścień wykonany z innego materiału niż podstawa i pokrywa lub pierścień wykonany z tego samego materiału co podstawa i pokrywa - możliwe w przypadku, gdy względna przenikalność elektryczna pierścienia zawiera się zarówno w zakresie dla materiału pierścienia jak i w zakresie dla materiału podstawy i pokrywy obudowy, czyli 2-3. Pokrywa i podstawa mogą być wykonane z tego samego lub innego materiału, korzystnie z tego samego w podanym zakresie 1,01-3.Thanks to this, the antenna housing, in addition to the standard improvement of mechanical properties and increased resistance to external conditions, ensures proper positioning of the ring relative to the base antenna, thus eliminating the need to introduce additional positioning elements. Depending on the distance from the base antenna base, the ring can be directly/contact-connected to the base of the housing (H < 0) or the cover of the housing (H > 0). The shape and dimensions of the base and cover of the housing result from the parameters according to the invention - R, H, Ro and are not specified in detail, it is only required that the base together with the cover allow for proper positioning of the ring relative to the base antenna and close the space around the base antenna and the ring - closing it inside. It is important that the material from which the cover and the base of the housing are made, in this variant of the design, is characterized by a low relative permittivity in the range of 1.01-3, it can be the same material of which the ring is made or another - a preferred variant when the permittivity of the ring material is relatively high, higher than the material that makes the cover and the base of the housing - greater than 3. Therefore, variants of selecting the material from which the individual elements of the housing are made are: a ring made of a different material than the base and cover or a ring made of the same material as the base and cover - possible in the case when the relative permittivity of the ring is included both in the range for the ring material and in the range for the base and cover material of the housing, i.e. 2-3. The cover and the base can be made of the same or a different material, preferably of the same in the given range of 1.01-3.
Korzyścią wynalazku jest jego uniwersalność, zastosowanie obudowy według wynalazku nie wymaga modyfikacji projektu anteny bazowej - nie wymaga ingerencji w konstrukcje anteny bazowej. W związku z tym można wykorzystać jedną antenę bazową i dostosować jej charakterystykę do różnych sytuacji jedynie poprzez zmianę parametrów obudowy, a w szczególności zintegrowanego w niej pierścienia, czyli promienia przekroju podłużnego pierścienia Ro, promienia w przekroju poprzecznym przez pierścień R, wysokości pierścienia od podstawy anteny bazowej H i względnej przenikalności elektrycznej - w zakresach podanych powyżej. Przy czym w wariancie wykonania wynalazku w każdym przypadku powyżej opisanym podstawa i pokrywa obudowy pozycjonują pierścień oraz zamykają przestrzeń wokół anteny bazowej wraz z pierścieniem w związku z tym konieczne jest takie dostosowanie ich kształtu i wymiarów aby mogły spełnić te funkcje. Konstrukcja pozwala uzyskać szerokość wiązki głównej anteny w przekroju elewacyjnym zwiększoną, odchyloną w płaszczyźnie elewacyjnej wiązkę główną anteny, odchyloną w stronę podstawy anteny bazowej.The advantage of the invention is its universality, the use of the housing according to the invention does not require modification of the base antenna design - it does not require interference in the base antenna structure. Therefore, one base antenna can be used and its characteristics can be adapted to various situations only by changing the housing parameters, and in particular the ring integrated in it, i.e. the radius of the longitudinal section of the ring Ro, the radius in the cross-section through the ring R, the height of the ring from the base antenna base H and the relative electric permittivity - in the ranges given above. Wherein in the embodiment variant of the invention in each case described above, the base and the housing cover position the ring and close the space around the base antenna together with the ring, therefore it is necessary to adapt their shape and dimensions in such a way that they can fulfill these functions. The design allows to obtain an increased width of the antenna main beam in the elevation cross-section, the antenna main beam deflected in the elevation plane, deflected towards the base antenna base.
Wynalazek opisano bliżej w przykładach wykonania i na rysunkach, gdzie pokazano:The invention is described in more detail in the examples and drawings, where:
Na fig. 1 znaną antenę bazową ESPAR w widoku aksonometrycznym - element wynalazkuFig. 1 shows the known ESPAR base antenna in an axonometric view - an element of the invention.
Na fig. 2 znaną antenę bazową ESPAR w przekroju podłużnym - element wynalazkuFig. 2 shows the known ESPAR base antenna in longitudinal section - an element of the invention
Na fig. 3 wynalazek czyli antenę w obudowie wykorzystującą konstrukcję anteny bazowej w widoku aksonometrycznym - ogólny przykład realizacji wynalazkuIn Fig. 3 the invention, i.e. an antenna in a housing using the base antenna structure in an axonometric view - a general example of the invention implementation
Na fig. 4 wynalazek czyli antenę w obudowie, której część została usunięta w celu prezentacji elementów znajdujących się wewnątrz w widoku aksonometrycznym - ogólny przykład realizacji wynalazku - w części otworzona obudowa z fig. 3 celem wizualizacji usytuowania obudowy w stosunku do anteny bazowejIn fig. 4 the invention, i.e. the antenna in the housing, part of which has been removed in order to present the elements inside in an axonometric view - a general example of the invention - the housing from fig. 3 is partially opened in order to visualize the location of the housing in relation to the base antenna
Na fig. 5 przekrój podłużny anteny z obudową - realizacja przykładu 1 wynalazkuIn Fig. 5, a longitudinal section of the antenna with housing - implementation of example 1 of the invention
Na fig. 6 wykres znormalizowanej charakterystyki promieniowania dla przykładu 1 w przekroju elewacyjnymFig. 6 shows the graph of the normalized radiation pattern for Example 1 in the elevation section.
Na fig. 7 przekrój podłużny anteny z obudową w innej realizacji - realizacja przykładu 2 wynalazkuIn Fig. 7, a longitudinal section of the antenna with a housing in another implementation - implementation of example 2 of the invention.
Na fig. 8 wykres znormalizowanej charakterystyki promieniowania dla przykładu 2 w przekroju elewacyjnymIn Fig. 8 the normalized radiation pattern for Example 2 in elevation section is shown.
Fig. 9-12 to figury pokazujące stan techniki - zobrazowano problematykę związaną ze znanymi antenami ESPAR i cel wynalazku.Fig. 9-12 are figures showing the state of the art - the problems related to known ESPAR antennas and the purpose of the invention are illustrated.
Przykład ogólnyGeneral example
W wynalazku stosuje się znaną konstrukcję anteny bazowej typu ESPAR z przełączaną wiązką 3. Antenę bazową ESPAR przedstawiono na fig. 1, natomiast na fig. 2 jest jej przekrój poprzeczny. Dopracowano następujące cechy wynalazku.The invention uses the known construction of the ESPAR base antenna with a switched beam 3. The ESPAR base antenna is shown in Fig. 1, while Fig. 2 shows its cross-section. The following features of the invention have been developed.
Podstawa 4 anteny bazowej 3 zrealizowana jest w formie okrągłej płytki z obwodem drukowanym o promieniu Rg w zakresie od 0,5 λ0 do 0,7 λ0 (λ0 - długość fali w wolnej przestrzeni), której górna warstwa stanowi płaszczyznę masy anteny, natomiast po drugiej stronie zamontowane są elementy elektroniczne. Na środku podstawy 4 anteny bazowej 3 znajduje się element aktywny 5, o wysokości Ha w zakresie od 0,2 λ0 do 0,3 λϋ, w postaci anteny monopolowej. Antena pobudzana jest za pomocą złącza współosiowego 7 (np. SMA ang. SubMiniature version A) - przewód wewnętrzny połączony jest z elementem aktywnym 5, natomiast przewód zewnętrzny z płaszczyzną masy anteny znajdującą się na podstawie 4 anteny bazowej. Element aktywny 5 otacza od 2 do 24 elementów pasywnych 6 o wysokości Hp w zakresie od 0,2 λ0 do 0,3 λ0, równomiernie rozmieszczonych na okręgu o promieniu Rp w zakresie od 0,25 λ0 do 0,5 λ0, również w postaci anten monopolowych, te jednak podłączone są do jednowrotników o elektronicznie sterowanej impedancji 8. Ustawianie impedancji zbliżonej do elektrycznego zwarcia sprawia, że element przyjmuje funkcję reflektora (odbija falę elektromagnetyczną), natomiast ustawienie impedancji zbliżonej do elektrycznego rozwarcia sprawia, że element przyjmuje funkcję direktora (przepuszcza falę elektromagnetyczną). W przypadku gdy wszystkie elementy pasywne są direktorami antena ma dookólną charakterystykę promieniowania, ustawienie przynajmniej jednego reflektora powoduje, że zaczyna nabierać ona właściwości kierunkowych. Optymalne własności kierunkowe uzyskuje się w przypadku 40-60% elementów ustawionych na funkcję reflektora. Cykliczna zmiana funkcji elementów pozwala na przemiatanie kierunku promieniowania w płaszczyźnie horyzontalnej w zakresie 360°, rozdzielczość dyskretnych przełączeń zależy od liczby elementów pasywnych (np. dla 12: 360°/12 = 30°).The base 4 of the base antenna 3 is made in the form of a round printed circuit board with a radius Rg in the range from 0.5 λ0 to 0.7 λ0 (λ0 - wavelength in free space), the upper layer of which is the ground plane of the antenna, while electronic components are mounted on the other side. In the middle of the base 4 of the base antenna 3 there is an active element 5, with a height Ha in the range from 0.2 λ0 to 0.3 λϋ, in the form of a monopole antenna. The antenna is excited by means of a coaxial connector 7 (e.g. SMA, SubMiniature version A) - the inner conductor is connected to the active element 5, while the outer conductor is connected to the ground plane of the antenna located on the base 4 of the base antenna. Active element 5 surrounds from 2 to 24 passive elements 6 with height Hp in the range from 0.2 λ0 to 0.3 λ0, evenly distributed on a circle with radius Rp in the range from 0.25 λ0 to 0.5 λ0, also in the form of monopole antennas, but these are connected to single-ports with electronically controlled impedance 8. Setting the impedance close to an electrical short circuit causes the element to assume the function of a reflector (reflects the electromagnetic wave), while setting the impedance close to an electrical open circuit causes the element to assume the function of a director (transmits the electromagnetic wave). In the case when all passive elements are directors, the antenna has an omnidirectional radiation characteristic, setting at least one reflector causes it to begin to acquire directional properties. Optimum directional properties are obtained in the case of 40-60% of elements set to the reflector function. Cyclic change of the element function allows to sweep the radiation direction in the horizontal plane within 360°, the resolution of discrete switching depends on the number of passive elements (e.g. for 12: 360°/12 = 30°).
Znamienną cechą wynalazku jest specjalna konstrukcja obudowy anteny 10 która zawiera w tym przykładzie: podstawę 11, pokrywę 12 oraz dielektryczny pierścień 9 w formie toroidu - bazowa część obudowy, najistotniejsza. Możliwe jest inne osadzenie pierścienia i zamknięcie - obudowanie z każdej strony anteny bazowej niż za pomocą podstawy i pokrywy obudowy. W tym przykładzie, pierścień ma kołowy kształt przekroju podłużnego przez pierścień, czyli figurą tworzącą pierścień jest okrąg. Ogólny przykład realizacji wynalazku przedstawiono na fig. 3, natomiast na fig. 4 ten sam przykład z wyciętą częścią obudowy w celu pokazania elementów znajdujących się w środku. Według wynalazku opracowano, że: względna przenikalność elektryczna materiału, z którego wykonany jest pierścień 9 zawiera się w zakresie od 2 do 20, względna przenikalność elektryczna materiału, z którego wykonane są podstawa 11 i pokrywa 12 obudowy zawiera się w zakresie od 1,01 do 3, promień pierścienia w przekroju poprzecznym R zawiera się w zakresie od 0,5 λο do 1 λο, promień przekroju podłużnego pierścienia Ro zawiera się w zakresie od 0,05 λο do 0,2 λο, a odległość pierścienia od podstawy anteny H zawiera się w zakresie w zakresie od -0,3 λ0 do 0,3 λ0. Pokazano to na fig. 3-4 - R, Ro i H.A characteristic feature of the invention is the special design of the antenna housing 10 which in this example contains: a base 11, a cover 12 and a dielectric ring 9 in the form of a toroid - the base part of the housing, the most important. It is possible to mount the ring differently and close it - encase it on each side of the base antenna than with the base and the housing cover. In this example, the ring has a circular shape of the longitudinal section through the ring, i.e. the figure forming the ring is a circle. A general example of the implementation of the invention is shown in Fig. 3, while in Fig. 4 the same example with a cut-out part of the housing in order to show the elements inside. According to the invention, it has been developed that: the relative permittivity of the material from which the ring 9 is made is in the range from 2 to 20, the relative permittivity of the material from which the base 11 and the cover 12 of the housing are made is in the range from 1.01 to 3, the radius of the ring in the cross-section R is in the range from 0.5 λο to 1 λο, the radius of the longitudinal section of the ring Ro is in the range from 0.05 λο to 0.2 λο, and the distance of the ring from the base of the antenna H is in the range from -0.3 λ0 to 0.3 λ0. This is shown in Figs. 3-4 - R, Ro and H.
Pierścień 9 połączony jest bezpośrednio/stykowo z podstawą 11 i/lub pokrywą 12 obudowy w zależności od tego czy powinien znajdować się nad czy pod podstawą 4 anteny bazowej. W tym przykładzie pierścień 9 połączony jest z pokrywą 12 obudowy, ponieważ znajduje się ponad podstawą 4 anteny bazowej (H > 0). W związku z tym nie potrzeba dodatkowych elementów pozycjonujących pierścień 9. Podstawa 11 oraz pokrywa 12 obudowy wykonane są z materiału dielektrycznego o niskiej względnej przenikalności elektrycznej (mniejsza niż 3, np. ABS - terpolimer akrylonitrylo-butadienostyrenowy) w związku z tym ich wpływ na charakterystykę promieniowania jest zminimalizowany. W związku z tym konkretny kształt podstawy 11 i pokrywy 12 obudowy ma drugorzędne znacznie dla elektromagnetycznych parametrów wynalazku, musi jedynie zamykać przestrzeń wokół anteny oraz pozwalać na odpowiednie spozycjonowanie pierścienia 9. Pokrywa obudowy 12 jest równoległa do płaszczyzny podstawy 4 anteny bazowej 3, okala pierścień dielektryczny 9 i łączy się z podstawą 11 obudowy, która zwęża się ku dołowi i zakończona jest płaszczyzną równoległą do podstawy 4 anteny bazowej 3, zamykając tym samym antenę bazową 3 od dołu podstawą 11.Ring 9 is connected directly/contactly to base 11 and/or cover 12 of the housing, depending on whether it should be located above or below base 4 of the base antenna. In this example, ring 9 is connected to cover 12 of the housing, because it is located above base 4 of the base antenna (H > 0). Therefore, no additional elements are needed to position ring 9. Base 11 and cover 12 of the housing are made of a dielectric material with a low relative electric permittivity (less than 3, e.g. ABS - acrylonitrile butadiene styrene terpolymer), therefore their influence on the radiation pattern is minimized. In this connection, the specific shape of the base 11 and the housing cover 12 is of secondary importance for the electromagnetic parameters of the invention, it only has to close the space around the antenna and allow for the appropriate positioning of the ring 9. The housing cover 12 is parallel to the plane of the base 4 of the base antenna 3, surrounds the dielectric ring 9 and connects to the housing base 11, which narrows downwards and ends with a plane parallel to the base 4 of the base antenna 3, thus closing the base antenna 3 from below with the base 11.
Zasada działania wynalazku opiera się na wykorzystaniu propagacyjnych właściwości materiału dielektrycznego, z którego wykonany jest pierścień. Charakteryzuje się on większą przenikalnością elektryczną od powietrza i w związku z tym jego obecność w otoczeniu anteny wpływa na sposób propagacji fali elektromagnetycznej, i w konsekwencji zmienia charakterystykę promieniowania anteny. Z jednej strony występują odbicia na granicy ośrodków (powietrze-dielektryk) związane z różnicą impedancji, z drugiej następuje spowolnienie fali propagującej się przez dielektryk budujący pierścień.The principle of the invention is based on the use of propagation properties of the dielectric material from which the ring is made. It is characterized by higher electrical permittivity than air and therefore its presence in the antenna environment affects the way the electromagnetic wave propagates and consequently changes the radiation characteristics of the antenna. On the one hand, there are reflections at the boundary of the media (air-dielectric) related to the difference in impedance, on the other hand, there is a slowdown of the wave propagating through the dielectric that builds the ring.
Figura budującą pierścień, określająca jego kształt w przekroju podłużnym, której obrót tworzy pierścień nie musi być okręgiem, ale wielokątem foremnym np. sześciokątem lub ośmiokątem, korzystnie jednak jest to okrąg. Stosowana figura to ośmiokąt foremny, a opisany na nim okrąg ma promień Ro. W tym przypadku pokazanym na fig. 8 i fig. 9 jest to okrąg.The figure that builds the ring, defining its shape in longitudinal section, the rotation of which creates the ring does not have to be a circle, but a regular polygon, e.g. a hexagon or an octagon, but it is preferably a circle. The figure used is a regular octagon, and the circle described on it has a radius Ro. In this case shown in Fig. 8 and Fig. 9 it is a circle.
Ze względu na stosowaną metodę produkcji może okazać się, że znacznie wygodniej jest wyprodukować pierścień o przekroju podłużnym ośmiokątnym (np. druk 3D). W przypadku zamiany okręgu na wielokąt ten sam efekt w kontekście wpływu na charakterystykę promieniowania można osiągnąć tak dostosowując Ro, aby pola powierzchni wielokąta i okręgu były jednakowe.Due to the manufacturing method used, it may be much more convenient to produce a ring with an octagonal longitudinal cross-section (e.g. 3D printing). In the case of replacing a circle with a polygon, the same effect in terms of the impact on the radiation pattern can be achieved by adjusting Ro so that the surface areas of the polygon and the circle are the same.
W związku z tym, dobierając takie wartości jak: parametry pierścienia 9 jak promień pierścienia R, promień przekroju poprzecznego pierścienia Ro, odległość pierścienia od podstawy anteny H, względna przenikalność elektryczna i modyfikując podstawę 11 i pokrywę 12 obudowy, tak aby odpowiednio pozycjonowały pierścień, można osiągnąć różne efekty w kontekście kształtu charakterystyki promieniowania anteny w przekroju elewacyjnym, takie jak: zmiana kierunku (pochylenie lub podniesienie) wiązki głównej względem płaszczyzny masy, zwiększenie trzydecybelowej szerokości wiązki w celu zapewnienia równomiernego rozkładu w wybranym zakresie kątowym lub jej skupienie w celu zwiększenia zysku. Konkretne kombinacje parametrów pierścienia zestawione z uzyskiwanym efektem przedstawiono w przykładach w dalszej części opisu. Wynalazek pozwala na łatwą zmianę parametrów całej anteny, poprzez wymianę obudowy na taką realizującą odmienny cel, ale parametry pierścienia 9 (R, Ro, H i względna przenikalność elektryczna) muszą zawierać w ustalonych zakresach. Zatem, zastosowanie wynalazku nie wymaga ingerencji w konstrukcję anteny bazowej.In this connection, by selecting such values as: parameters of the ring 9 as the ring radius R, the ring cross-section radius Ro, the distance of the ring from the antenna base H, the relative permittivity and modifying the base 11 and the housing cover 12 so as to position the ring appropriately, various effects can be achieved in the context of the shape of the antenna radiation pattern in the elevation section, such as: changing the direction (tilting or lifting) of the main beam relative to the ground plane, increasing the three-decibel beam width to ensure uniform distribution in a selected angular range or focusing it to increase the gain. Specific combinations of the ring parameters compared with the effect obtained are presented in the examples later in the description. The invention allows for easy change of the parameters of the entire antenna, by replacing the housing with one realizing a different purpose, but the parameters of the ring 9 (R, Ro, H and relative permittivity) must be within the established ranges. Therefore, the application of the invention does not require interference in the construction of the base antenna.
Wynalazek ma zastosowanie w systemach bezprzewodowych gdzie pozwala dopasować charakterystykę promieniowania anteny ESPAR do konkretnego rozkładu urządzeń. Co więcej, oznacza to że wystarczy mieć jeden projekt anteny bazowej i w zależności od potrzeb dobierać odpowiednio cechy obudowy jednakże w opracowanym zakresie R, Ro i H i względnej przenikalności elektrycznej.The invention is used in wireless systems where it allows to match the radiation pattern of the ESPAR antenna to a specific device layout. What's more, it means that it is enough to have one base antenna design and, depending on the needs, to select the appropriate housing features, but within the developed range of R, Ro and H and relative electrical permittivity.
Przykładem zastosowania może być sytuacja, w której wynalazek montowany jest na suficie hali magazynowej, a ma komunikować się z urządzeniami znajdującymi się na ziemi. Wówczas wynalazek można wykorzystać aby zapewnić większy poziom sygnału w obszarze bezpośrednio pod anteną w stosunku do przypadku bez obudowy. Natomiast jeśli te urządzenia zamontowane będą na zbliżonej wysokości w stosunku do wynalazku, wówczas zastosowana zostanie obudowa pozwalająca na skupienie promieniowania w płaszczyźnie zbliżonej do horyzontalnej.An example of an application could be a situation where the invention is mounted on the ceiling of a warehouse, and is to communicate with devices located on the ground. Then the invention can be used to provide a higher signal level in the area directly under the antenna compared to the case without a housing. However, if these devices are mounted at a similar height to the invention, then a housing will be used that allows for the concentration of radiation in a plane close to horizontal.
W sytuacji gdy wynalazek zamontowany będzie na robocie inspekcyjnym odbierającym dane z różnego rodzaju sensorów znajdujących się w różnych miejscach i na różnych wysokościach, modyfikacja wynalazku pozwoli na maksymalne poszerzenie wiązki anteny, aby zapewnić niezawodną komunikację z każdym z sensorów.In a situation where the invention is mounted on an inspection robot receiving data from various types of sensors located in different places and at different heights, the modification of the invention will allow for the maximum expansion of the antenna beam to ensure reliable communication with each of the sensors.
Wynalazek charakteryzuje się mniejszą złożonością konstrukcji, niższą ceną oraz poborem mocy w stosunku do antenowych szyków fazowych standardowo stosowanych do realizacji tej funkcji. Dzięki tym cechom wynalazek może być wykorzystany w bezprzewodowych sieciach sensorowych, gdzie wykorzystanie kierunkowej charakterystyki promieniowania pozwala na obniżenie wymaganych do poprawnej komunikacji mocy nadawczych, skutkując wydłużonym czasem pracy na baterii lub możliwością redukcji liczby niezbędnych węzłów poprzez zwiększenie ich zasięgu. Dodatkowo, w połączeniu z algorytmami estymacji kierunku nadejścia sygnału możliwe jest wyznaczanie pozycji urządzeń bezprzewodowych, a możliwość modyfikacji kształtu wiązki anteny w kierunku elewacyjnym pozwala na poprawienie dokładności tej estymacji, a w efekcie również wyznaczania ich pozycji. Inną możliwością jest zastosowanie wynalazku w systemach komunikacji między pojazdami w celu poprawy jakości łącza w wymagającym, silnie odbiciowym środowisku (np. centrum miasta), w którym tego typu systemy są wykorzystywane. Wykorzystanie obudowy modyfikującej kierunek wiązki w płaszczyźnie elewacyjnej pozwala na zapewnienie bardziej stabilnej komunikacji z elementami infrastruktury drogowej umieszczonej na konkretnej wysokości względem pojazdu. Dzięki temu manipulowanie kierunkiem wiązki zmniejszy poziom sygnałów odbieranych z niepożądanych kierunków, tym samym poprawiając bezpieczeństwo komunikacji poprzez zwiększenie odporności na sygnały zakłócające.The invention is characterized by lower design complexity, lower price and power consumption compared to phased array antennas typically used to perform this function. Thanks to these features, the invention can be used in wireless sensor networks, where the use of directional radiation characteristics allows for a reduction in the transmission power required for correct communication, resulting in extended battery life or the possibility of reducing the number of necessary nodes by increasing their range. Additionally, in combination with algorithms for estimating the direction of signal arrival, it is possible to determine the position of wireless devices, and the possibility of modifying the shape of the antenna beam in the elevation direction allows for improving the accuracy of this estimation, and as a result, also for determining their position. Another possibility is the use of the invention in communication systems between vehicles in order to improve the quality of the link in a demanding, highly reflective environment (e.g. city center), in which such systems are used. The use of a housing that modifies the beam direction in the elevation plane allows for more stable communication with road infrastructure elements located at a specific height relative to the vehicle. As a result, manipulating the beam direction will reduce the level of signals received from unwanted directions, thereby improving communication security by increasing immunity to interfering signals.
Przykład szczegółowy 1.Detailed example 1.
Przykładem wykonania wynalazku jest antena, której przekrój podłużny przedstawiono na fig. 5. W tym przykładzie antena pracuje na częstotliwości 2,45 GHz. Element aktywny 5 anteny zrealizowany jest w formie metalowego pręta o długości Ha = 26,4 mm (0,22 λϋ) i umieszczony jest na środku podstawy 4 promieniu Rg = 76,2 mm (0,62 λϋ) i pobudzany za pomocą złącza SMA (typ złącza współosiowego 7). Podstawa 4 anteny bazowej zrealizowana jest w formie płytki PCB (płytka z obwodem drukowanym), której górna warstwa metalizacji stanowi płaszczyznę masy anteny. Element aktywny 5 otoczony jest przez 12 elementów pasywnych 6 w formie metalowych prętów o długości Hp = 25,7 mm (0,21 λϋ). Elementy pasywne 6 są równomiernie na okręgu o promieniu Rp = 46,8 mm (0,38 λϋ). Elementy pasywne 6 podłączone są do kluczy mikrofalowych (realizacja jednowrotnika o elektronicznie sterowanej impedancji 8) pozwalających na ich rozwarcie lub zwarcie do płaszczyzny masy/podstawy 4. Pięć kolejnych elementów pasywnych jest rozwartych działając jak direktory, natomiast pozostałe siedem są zwarte do masy działając jak reflektory. Antena wyposażona jest w obudowę 10, której kluczową częścią jest pierścień dielektryczny 9 wykonany z materiału o względnej przenikalności dielektrycznej równej 10 (w tym przypadku zastosowano PREPERM® 3D ABS1000 filament), a pozostałe jego parametry to: promień pierścienia R = 89,2 mm (0,73 λο), promień przekroju poprzecznego Ro = 12,4 mm (0,1 λο) i odległość pierścienia od podstawy anteny H = 20,6 mm (0,17 λο). Pierścień 9 połączony jest bezpośrednio/stykowo z pokrywą 12 obudowy, co zapewnia poprawne jego spozycjonowanie względem anteny bazowej. Podstawa 11 obudowy styka się zarówno z pokrywą 12 obudowy jak i podstawą 4 anteny bazowej 3. Podstawa 11 i pokrywa 12 obudowy wykonane są z materiału o niskiej względnej przenikalności elektrycznej (w tym przypadku ABS - terpolimer akrylonitrylo-butadieno-styrenowy o względnej przenikalności wynoszącej ok. 2,6). Podstawa i pokrywa jest wykonana z tego samego materiału ale innego niż pierścień.An example of the invention is an antenna, the longitudinal cross-section of which is shown in Fig. 5. In this example, the antenna operates at a frequency of 2.45 GHz. The active element 5 of the antenna is implemented as a metal rod with a length of Ha = 26.4 mm (0.22 λϋ) and is placed in the center of the base 4 with a radius of Rg = 76.2 mm (0.62 λϋ) and is excited by means of an SMA connector (a type of coaxial connector 7). The base 4 of the base antenna is implemented as a PCB (printed circuit board), the upper metallization layer of which constitutes the ground plane of the antenna. The active element 5 is surrounded by 12 passive elements 6 in the form of metal rods with a length of Hp = 25.7 mm (0.21 λϋ). The passive elements 6 are evenly distributed on a circle with a radius of Rp = 46.8 mm (0.38 λϋ). Passive elements 6 are connected to microwave keys (implementation of a single-port with electronically controlled impedance 8) allowing their opening or shorting to the ground plane/base 4. Five subsequent passive elements are opened acting as directors, while the remaining seven are shorted to ground acting as reflectors. The antenna is equipped with a housing 10, the key part of which is a dielectric ring 9 made of a material with a relative dielectric permittivity equal to 10 (in this case PREPERM® 3D ABS1000 filament was used), and its other parameters are: ring radius R = 89.2 mm (0.73 λο), cross-section radius Ro = 12.4 mm (0.1 λο) and distance of the ring from the antenna base H = 20.6 mm (0.17 λο). Ring 9 is connected directly/in contact with housing cover 12, which ensures its correct positioning relative to the base antenna. Base 11 of the housing is in contact with both housing cover 12 and base 4 of base antenna 3. Base 11 and housing cover 12 are made of a material with low relative electrical permittivity (in this case ABS - acrylonitrile-butadiene-styrene terpolymer with a relative permittivity of approx. 2.6). The base and cover are made of the same material but different from the ring.
Dzięki opracowanej antenie według przykładu 1. uzyskano efekt pochylenia wiązki w kierunku podstawy/płaszczyzny masy, zwiększając tym samym część mocy promieniowanej w kierunku horyzontalnym. Porównanie kształtów elewacyjnych przekrojów charakterystyki promieniowania anteny według wynalazku (z obudową) i anteny bazowej (bez obudowy) przedstawiono na fig. 6. Efektem osiąganym w przykładzie 1. Jest pochylenie wiązki, a nie jej poszerzenie, dlatego nie jest ujęty w tabeli 1.Thanks to the developed antenna according to example 1, the effect of beam tilting towards the base/ground plane was achieved, thus increasing the part of the power radiated in the horizontal direction. A comparison of the elevation shapes of the radiation pattern cross-sections of the antenna according to the invention (with housing) and the base antenna (without housing) is shown in Fig. 6. The effect achieved in example 1 is beam tilting, not its broadening, therefore it is not included in Table 1.
PL 246184 Β1PL 246184 Β1
Z wykresu na fig. 6 wynika, że maksimum promieniowania w przekroju elewacyjnym dla anteny z przykładu 1. występuje na kącie większym niż w przypadku anteny bazowej (bez obudowy), zatem wiązka główna została pochylona w kierunku podstawy anteny.The graph in Fig. 6 shows that the maximum radiation in the elevation cross-section for the antenna from Example 1 occurs at an angle larger than in the case of the base antenna (without housing), therefore the main beam was tilted towards the antenna base.
Przykład szczegółowy2.Detailed example2.
Innym przykładem wykonania wynalazku jest antena, której przekrój podłużny przedstawiono na fig. 7. W tym przykładzie antena pracuje na częstotliwości 2,45 GHz. Element aktywny 5 anteny zrealizowany jest w formie metalowego pręta o długości Ha = 26,4 mm (0,22 λο) i umieszczony jest na środku podstawy 4 promieniu Rg = 76,2 mm (0,62 λο) i pobudzany za pomocą złącza SMA (typ złącza współosiowego 7). Podstawa 4 anteny bazowej zrealizowana jest w formie płytki PCB (płytka z obwodem drukowanym), której górna warstwa metalizacji stanowi płaszczyznę masy anteny. Element aktywny 5 otoczony jest przez 12 elementów pasywnych 6 w formie metalowych prętów o długości Hp = 25,7 mm (0,21 λο). Elementy pasywne 6 są równomiernie na okręgu o promieniu Rp = 46,8 mm (0,38 λο). Elementy pasywne 6 podłączone są do kluczy mikrofalowych (realizacja jednowrotnika o elektronicznie sterowanej impedancji 8) pozwalających na ich rozwarcie lub zwarcie do płaszczyzny masy/podstawy 4. Pięć kolejnych elementów pasywnych jest rozwartych działając jak direktory, natomiast pozostałe siedem są zwarte do masy działając jak reflektory.Another example of the invention is an antenna, the longitudinal cross-section of which is shown in Fig. 7. In this example, the antenna operates at a frequency of 2.45 GHz. The active element 5 of the antenna is realized in the form of a metal rod with a length of Ha = 26.4 mm (0.22 λο) and is placed in the center of the base 4 with a radius of Rg = 76.2 mm (0.62 λο) and is excited by means of an SMA connector (a type of coaxial connector 7). The base 4 of the base antenna is realized in the form of a PCB (printed circuit board), the upper metallization layer of which constitutes the ground plane of the antenna. The active element 5 is surrounded by 12 passive elements 6 in the form of metal rods with a length of Hp = 25.7 mm (0.21 λο). The passive elements 6 are evenly distributed on a circle with a radius of Rp = 46.8 mm (0.38 λο). Passive elements 6 are connected to microwave keys (implementation of a single-port with electronically controlled impedance 8) allowing their opening or short-circuit to the ground/base plane 4. Five subsequent passive elements are open, acting as directors, while the remaining seven are short-circuited to ground, acting as reflectors.
Ponownie, antena wyposażona jest w obudowę 10, której kluczową część stanowi pierścień dielektryczny 9, ale o innych niż w przykładzie 1 parametrach. Tym razem wykonany jest z materiału o względnej przenikalności dielektrycznej równej 7,5 (w tym przypadku zastosowano PREPERM® 3D ABS750 filament), a pozostałe jego parametry to: promień pierścienia R = 94 mm (0,77 λο), promień przekroju poprzecznego Ro = 16 mm (0,13 λο) i odległość pierścienia od podstawy anteny H = -5,6 mm (-0,05 λο). Pierścień 9 tym razem, ze względu na swoje położenie, połączony jest bezpośrednio/stykowo z podstawą 11 obudowy, co zapewnia poprawne jego spozycjonowanie względem anteny bazowej. Podstawa 11 obudowy styka się zarówno z pokrywą 12 obudowy jak i podstawą 4 anteny bazowej 3. Podstawa 11 i pokrywa 12 obudowy wykonane są z materiału o niskiej względnej przenikalności elektrycznej (w tym przypadku ABS - terpolimer akrylonitrylo-butadieno-styrenowy o względnej przenikalności wynoszącej ok. 2,6). Dzięki opracowanej antenie według przykładu 2. uzyskano efekt zwiększenia szerokości wiązki w płaszczyźnie elewacyjnej, zapewniając tym samym pokrycie przestrzeni w szerszym zakresie kątowym. Porównanie kształtów elewacyjnych przekrojów charakterystyki promieniowania anteny według wynalazku (z obudową) i anteny bazowej (bez obudowy) przedstawiono na fig. 8.Again, the antenna is equipped with a housing 10, the key part of which is a dielectric ring 9, but with different parameters than in Example 1. This time it is made of a material with a relative dielectric permittivity of 7.5 (in this case PREPERM® 3D ABS750 filament was used), and its other parameters are: ring radius R = 94 mm (0.77 λο), cross-section radius Ro = 16 mm (0.13 λο) and distance of the ring from the antenna base H = -5.6 mm (-0.05 λο). Ring 9 this time, due to its position, is connected directly/in contact with the base 11 of the housing, which ensures its correct positioning relative to the base antenna. The base 11 of the housing is in contact with both the cover 12 of the housing and the base 4 of the base antenna 3. The base 11 and the cover 12 of the housing are made of a material with low relative electric permittivity (in this case ABS - acrylonitrile-butadiene-styrene terpolymer with a relative permittivity of approx. 2.6). Thanks to the developed antenna according to example 2, the effect of increasing the beam width in the elevation plane was achieved, thus ensuring coverage of the space in a wider angular range. A comparison of the shapes of the elevation cross-sections of the radiation pattern of the antenna according to the invention (with housing) and the base antenna (without housing) is shown in Fig. 8.
Z wykresu na fig. 8 wynika, że wiązka główna anteny z przykładu 2. w przekroju elewacyjnym jest szersza niż w przypadku anteny bazowej (bez obudowy).The graph in Fig. 8 shows that the main beam of the antenna from Example 2 in the elevation cross-section is wider than that of the base antenna (without housing).
Wartości względnych przenikalności elektrycznych dielektryków tworzących pierścienie w powyższych przypadkach są wartościami przykładowymi, które w ogólności mogą przyjmować dowolne wartości z przedziału 2-20. Odpowiednio zmieniając wymiary pierścienia można dostosować jego działanie do konkretnej wartości przenikalności i uzyskać zbliżony efekt. Jako przykład, w tabeli poniżej przedstawiono wartości poszerzenia wiązki trzydecybelowej dla przykładowej realizacji anteny na częstotliwości 2,45 GHz z wykorzystaniem dielektryka o względnej przenikalności elektrycznej 2 i 20, a także wartości z przykładu 2., czyli 7,5.The values of the relative permittivity of the dielectrics forming the rings in the above cases are exemplary values, which in general can take any values from the range of 2-20. By appropriately changing the dimensions of the ring, its operation can be adjusted to a specific permittivity value and a similar effect can be obtained. As an example, the table below shows the values of the three-decibel beam broadening for an exemplary implementation of the antenna at 2.45 GHz using a dielectric with a relative permittivity of 2 and 20, as well as the values from example 2, i.e. 7.5.
Z tabeli wynika, że odpowiednio dobierając wymiary pierścienia (w podanych wcześniej zakresach) można uzyskać poszerzenie wiązki dla materiałów pierścienia 9 w całym zakresie względnej przenikalności elektrycznej w zakresie od 2 do 20. Przy czym efekt jest mniejszy dla niskich przenikalności.The table shows that by appropriately selecting the ring dimensions (within the previously given ranges) it is possible to obtain beam broadening for ring 9 materials in the entire range of relative permittivity from 2 to 20. The effect is smaller for low permittivities.
- Antena rekonfigurowalna typu ESPAR - pokazana na rysunkach obrazujących pro- blematykę stanu techniki - ma odnosić się ogólnie do różnych anten rekonfigurowalnych typu ESPAR- The ESPAR type reconfigurable antenna - shown in the drawings illustrating the problems of the prior art - is intended to refer generally to various ESPAR type reconfigurable antennas
- Urządzenia bezprzewodowe- Wireless devices
- Bazowa antena ESPAR- ESPAR Base Antenna
- Podstawa anteny/płaszczyzna masy- Antenna base/ground plane
- Element aktywny w formie anteny monopolowej- Active element in the form of a monopole antenna
- Elementy pasywne w formie anten monopolowych- Passive elements in the form of monopole antennas
- Złącze współosiowe- Coaxial connector
- Jednowrotnik o elektronicznie sterowanej impedancji- Single-port with electronically controlled impedance
- Pierścień dielektryczny modyfikujący charakterystykę promieniowania- Dielectric ring that modifies radiation characteristics
- Obudowa anteny- Antenna housing
- Podstawa obudowy- Housing base
- Pokrywa obudowy.- Housing cover.
Claims (13)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL439416A PL246184B1 (en) | 2021-11-04 | 2021-11-04 | Antenna with electronically steered beam type ESPAR |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL439416A PL246184B1 (en) | 2021-11-04 | 2021-11-04 | Antenna with electronically steered beam type ESPAR |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL439416A1 PL439416A1 (en) | 2023-05-08 |
| PL246184B1 true PL246184B1 (en) | 2024-12-16 |
Family
ID=86322957
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL439416A PL246184B1 (en) | 2021-11-04 | 2021-11-04 | Antenna with electronically steered beam type ESPAR |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| PL (1) | PL246184B1 (en) |
-
2021
- 2021-11-04 PL PL439416A patent/PL246184B1/en unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| PL439416A1 (en) | 2023-05-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zeain et al. | A new technique of FSS-based novel chair-shaped compact MIMO antenna to enhance the gain for sub-6GHz 5G applications | |
| Wang et al. | Compact wideband pattern reconfigurable antennas inspired by end-fire structure for 5G vehicular communication | |
| Su et al. | 79-GHz wide-beam microstrip patch antenna and antenna array for millimeter-wave applications | |
| US20120068903A1 (en) | Omnidirectional volumetric antenna | |
| Sarrazin et al. | Pattern reconfigurable cubic antenna | |
| Alam et al. | Planar pattern reconfigurable antenna with eight switchable beams for WiMax and WLAN applications | |
| EP3806240B1 (en) | Antenna | |
| WO2015029946A1 (en) | Antenna and sector antenna | |
| Zheng et al. | A miniaturized wideband dual-polarized antenna based on mode-control principle for base-station applications | |
| Xu et al. | Vertically polarized quasi-Yagi MIMO antenna for 5G N78 band application | |
| Chen et al. | A novel planar switched parasitic array antenna with steered conical pattern | |
| Chen et al. | Single-layer wideband tilted beam phased array antenna for millimeter-wave vehicle communications | |
| Wang et al. | Novel pattern reconfigurable epsilon-near-zero (ENZ) antenna for intelligent IoT communication applications | |
| Danuor et al. | A pattern-reconfigurable antenna using tunable band-stop FSS with reduced switching elements | |
| Li et al. | A single-layer dual-band array at low-frequency ratio with concurrent broad fan beam and narrow pencil beam | |
| You et al. | Smart Wi-Fi antenna with reconfigurable omnidirectional and unidirectional patterns | |
| Positano et al. | Low profile pattern reconfigurable espar for uavs in iot applications | |
| Shariff et al. | High gain narrow beam MIMO array antenna operating at n260 band for millimeter wave applications | |
| PL246184B1 (en) | Antenna with electronically steered beam type ESPAR | |
| PL246183B1 (en) | Antenna with electronically steered beam type ESPAR | |
| Cho et al. | High-gain mmWave shorted rectangular ring antenna with complementary segmented-cavity backed structure | |
| Bharath et al. | Millimeter wave switched beam rectangular loop dipole antenna array using a 4× 4 Butler matrix | |
| Bertuch et al. | Size-limited Q-band circular switched parasitic array antenna with small elevation beamwidth | |
| Sallam et al. | 5G Beam-Switchable Array With Full Spatial Coverage Employing Wideband Bow-Tie Antenna | |
| JP2013157707A (en) | Shaped-beam antenna |