Рамочная антенна

 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в радиотехнических системах. Техническим результатом является получение излучения всеми участками рамки, что позволяет комбинировать различные виды поляризации, излучаемые отдельными участками рамки, значительно уменьшить габариты, повысить КПД, коэффициент усиления и коэффициент защитного действия в многоэлементных антенных системах. Рамочная антенна содержит, по меньшей мере, одну рамку, в которой по меньшей мере один из участков рамки выполнен в виде спирали, а часть провода, не свитого в спираль, проходит внутри нее. Намотка витков спирали производится по направлению движения токов в данном участке рамки на расстоянии 0,125 длины волны от одной из точек питания, а длина провода, свитого в спираль, равна 0,25 длины волны. Диаметр витков спирали не превышает 0,025 длины волны, а длина намотки спирали не менее 0,05 длины волны. 9 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в радиотехнических системах.

Известна антенна, состоящая из двух рамок, одна из которых является активной, а другая пассивной [1].

Недостатком указанной антенны являются низкие коэффициент усиления (К_ус.) антенны и коэффициент защитного действия (К_защ.).

Поперечные размеры рамок равны примерно 0,25 длины волны и в диапазоне декаметровых волн имеют большие габариты.

Наиболее близкой по технической сущности и по достигаемому результату является рамочная антенна, состоящая из двух рамок, одна из которых директор, а другая рефлектор, соединенных фазосдвигающей линией. Обе рамки являются активными [2].

Недостатками указанной антенны являются также низкие коэффициент усиления антенны и коэффициент защитного действия. Поперечные размеры рамок равны примерно 0,25 длины волны и в диапазоне декаметровых волн имеют также большие габариты.

В основу изобретения положена задача существенно уменьшить габариты рамки, выбрать такую конфигурацию проводника, при которой все участки его излучают полезную электромагнитную волну в заданном направлении, за счет этого повысить КПД антенны и добиться К_ус. приближающегося к полноразмерной антенне, а при использовании 2-х рамок с активным питанием - повысить К_защ. действия антенны.

Согласно изобретению поставленная задача достигается тем, что рамочная антенна, содержащая питающий фидер и, по меньшей мере, одну рамку, в которой по меньшей мере один из участков рамки выполнен в виде спирали, а часть провода, не свитого в спираль, проходит внутри нее, намотка витков спирали производится по направлению движения токов в данном участке рамки.

Намотка витков спирали производится на расстоянии 1/8 длины волны от одной из точек питания, и длина провода, свитого в спираль, равна 1/4 длины волны.

Причем диаметр витков спирали не превышает 0,025 длины волны, а длина намотки спирали не менее 0,05 длины волны.

Антенна предпочтительно содержит две рамки. Часть провода, не свитого в спираль, проходит по оси спирали внутри нее.

Антенна, в которой витки спирали выполнены из противоположных участков рамки, а другие противоположные участки рамки согнуты посередине и сближены до расстояния меньше 0,02 длины волны, а точки питания расположены в середине провода одной из спиралей.

Антенна, в которой четыре участка рамки выполнены в виде спиралей, а части провода, не свитого в спираль, проходят внутри нее, точки питания расположены в середине провода одной из спиралей, в которой направление тока не меняется.

Рамки могут быть соединены параллельно или последовательно.

В спиралях при их диаметре, меньшем или равном 0,02-0,03 длины волны, и намотке витков по направлению движения токов в данном участке рамки происходит интерполяция электромагнитной волны (ЭМВ), так как токи во всех витках спиралей имеют одинаковое направление, при этом направление излучения становится перпендикулярным оси спиралей и совпадает с направлением излучения сближенных синфазных, равных по 0,25 длины волны горизонтальных участков рамки (см. фиг.1, 6).

Сближение горизонтальных участков рамок до расстояния 0,02-0,03 длины волны уменьшает поперечные габариты рамок примерно в 10 раз при незначительном (до 0,1 длины волны) увеличении длины рамки по горизонтали.

За счет дополнительного излучения спиралями возрастает КУ и КПД антенны.

Сущность изобретения заключается в том, что, размещая линейные участки рамки внутри спиральной части (частей), а намотку спиралей выполняя по направлению токов в данном участке рамки, появляется возможность выполнять варианты антенн, имеющих:

- заданные ограниченные размеры;

- различные виды поляризации;

- различные соотношения вертикальной и горизонтальной поляризации.

При этом точки питания могут быть в любом участке рамки и только являются точкой отсчета - на каких расстояниях от точек питания токи в рамке меняют направление на противоположное для того, чтобы направление намотки спиралей в этих точках изменить на противоположное.

Если спираль находится на участке рамки, где ток не меняет свое направление, то спираль наматывается в одну сторону.

Перемещая точки питания, имеется возможность подбирать необходимое входное сопротивление рамки в пределах 28-30 Ом, до 200 Ом, при этом точки питания можно разместить в удобном для подключения месте с минимальным воздействием токов смещения на питающий фидер.

Антенна предпочтительно содержит две рамки.

Вариант 1.

Рамочная антенна состоит из двух рамок, одна из которых директор 1, другая рефлектор 2, верхние горизонтальные участки которых соединяются фазосдвигающей линией 3. Рамки удалены друг от друга на расстояние 0,125 длины волны.

Рамочная антенна содержит настроечные шлейфы 4. Вертикальные стороны рамок выполнены в виде спиралей 5, длина провода которых равна по 0,25 длины волны, а часть провода, не свитого в спираль 6, проходит внутри нее по оси спирали.

Работает антенна при параллельном включении рамок следующим образом.

Высокочастотный сигнал поступает по питающему фидеру 7, который подключается в точках питания а и б на фазосдвигающей линии 3. Распространение электромагнитных волн происходит в направлении от рефлектора 2 в сторону директора 1.

Обе рамки являются активными, причем ток в рефлекторе 2 отстает по фазе от тока в директоре 1 на 225°. Необходимый сдвиг в 225° получается так:

- сдвиг на 180° происходит за счет перекрещивания фазосдвигающей линии;

- еще 45° обеспечивает фазосдвигающая линия, соединяющая рамки (директор 1 и рефлектор 2).

Подвод фидера можно осуществить через точку нулевого потенциала (фиг.1), что исключает наведение токов смещения на оплетке фидера, что в свою очередь исключает антенный эффект фидера 7 без дополнительного симметрирования, а также выравнивает диаграмму направленности антенны.

За счет сильной индуктивной связи между спиралями происходит практически полное подавление боковых излучений, а излучение назад ослабляется в 20 раз на резонансной частоте, что повышает коэффициент защитного действия антенны.

Вариант 2.

При расположении рамки вертикально (фиг.2), при перемещении точек питания с середины линейного провода к нижнему четвертьволновому спиральному элементу, рамка превращается в несимметричную, что очень удобно при питании несимметричным фидером. При этом токи в вертикальных участках рамки протекают в одну сторону, и, т.о., наведенные друг на друга сопротивления складываются, что в целом увеличивает входное сопротивление рамки.

В точках в и г, где токи изменяют свое направление на противоположное, участки рамки переходят в четверть волновые спиральные элементы, которые также излучают ЭМВ, направление излучения которых совпадает с направлением излучения четверть волновых линейных участков рамки.

Вариант 3.

Если по техническим условиям антенна ограничена какими-то габаритными размерами, например, не более четверти длины волны, то в этом случае линейные участки рамки выполняются в два плеча, длиной по 1/8 длины волны, а остальная часть рамки свертывается в спираль, причем в точках в и г, где направления токов в рамке меняются на противоположные, направления намотки спиралей также меняются на противоположные.

В этом варианте антенна симметрична и питается симметричным фидером или с применением симметрирующего устройства (например, четверть волновой стакан).

Таким образом можно трансформировать рамку до волновой спиральной антенны (фиг.3), где принцип рамки и ее свойства остаются, но внешний вид уже спиралеобразный.

Вариант 4.

Витки спиралей антенны выполнены из противоположных участков рамки, а другие противоположные участки рамки согнуты посредине и сближены до расстояния, равного или меньшего 0,02 длины волны, а точки питания расположены в середине провода одной из спиралей. В этом варианте антенна излучает/принимает ЭМВ вертикальной и горизонтальной поляризации с преимуществом горизонтальной (фиг.4).

Вариант 5.

Все четыре участка рамки длиной по 0,25 длины волны выполнены в виде спиралей, а части провода, не свитого в спираль, проходят внутри нее, точки питания расположены в середине провода одной из спиралей, в которой направление тока не меняется. В этом варианте антенна излучает/принимает ЭМВ вертикальной и горизонтальной поляризации примерно в одинаковых соотношениях (фиг.5).

При последовательном включении рамок (фиг.4) антенна работает следующим образом.

Высокочастотный сигнал поступает по питающему фидеру 7 на точки питания а и б. Распространение электромагнитных волн происходит от рефлектора 2 в сторону директора 1.

Обе рамки являются активными, причем ток в рефлекторе 2 отстает от тока в директоре 1 на 225°.

Последовательность питания и необходимый сдвиг в 225° получается так: в разрыв директора 1 в точке, противоположной точкам питания а и б, имеющей фазовый сдвиг 180°, подключается один конец фазосдвигающей линии 3, а второй конец фазосдвигающей линии 3 подключается в разрыв середины спирали рефлектора 2, расположенной напротив точек питания а и б. Фазосдвигающая линия обеспечивает сдвиг еще на 45°.

Питание антенны можно осуществлять симметричной линией либо коаксиальным кабелем, применив любой известный способ симметрирования (например, четвертьволновой стакан).

При настройке рамок шлейфы противоположных спиралей необходимо перемещать на одинаковое расстояние, чтобы не нарушать симметрию антенны.

Оптимальные параметры антенны достигаются при расстоянии между рамками, равном 0,125 длины волны, когда ток в рефлекторе 2 отстает от тока в директоре 1 на 225°.

Источники информации

1. К. Ротхаммель. Антенны СПб.: Бояныч, 1998 г., стр.224, рис.14.9.

2. Григоров И.Н. Практические конструкции антенн. М.: ДМК, 2000 г., стр.110, рис.2.69.

Формула изобретения

1. Рамочная антенна, содержащая питающий фидер и по меньшей мере одну рамку, отличающаяся тем, что по меньшей мере один из участков рамки выполнен в виде спирали, а часть провода, не свитого в спираль, проходит внутри нее.

2. Рамочная антенна по п.1, отличающаяся тем, что намотка витков спирали производится по направлению движения токов в данном участке рамки.

3. Рамочная антенна по п.1, отличающаяся тем, что намотка витков спирали производится на расстоянии 1/8 длины волны от одной из точек питания и длина провода, свитого в спираль, равна 1/4 длины волны.

4. Рамочная антенна по п.1, отличающаяся тем, что диаметр витков спирали не превышает 0,025 длины волны.

5. Рамочная антенна по п.1, отличающаяся тем, что длина намотки спирали не менее 0,05 длины волны.

6. Рамочная антенна по п.1, отличающаяся тем, что предпочтительно содержит две рамки.

7. Рамочная антенна по п.1, отличающаяся тем, что часть провода, не свитого в спираль, проходит по оси спирали внутри нее.

8. Рамочная антенна по п.1, отличающаяся тем, что витки спирали выполнены из противоположных участков рамки, а другие противоположные участки рамки согнуты посередине и сближены до расстояния меньше 0,02 длины волны, а точки питания расположены в середине провода одной из спиралей.

9. Рамочная антенна по п.1, отличающаяся тем, что четыре участка рамки выполнены в виде спиралей, а части провода, не свитого в спираль, проходят внутри нее, точки питания расположены в середине провода одной из спиралей, в которой направление тока не меняется.

10. Рамочная антенна по п.1, отличающаяся тем, что рамки соединены последовательно или параллельно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6