Многомодовая мачтовая антенна

Изобретение относится к антенной технике и предназначено для использования в качестве диапазонной коротковолновой (KB) передающей (приемной) антенны, обеспечивающей работу как земными волнами, так и ионосферными волнами с различными видами поляризации. Техническим результатом является расширение диапазона рабочих частот и обеспечение возможности использования как в стационарных, так и в мобильных средствах радиосвязи. Сущность изобретения заключается в том, что антенна состоит из двух ортогонально расположенных наклонных симметричных вибраторов, идентичных друг другу, и восьми проводов снижения. Каждое из плеч симметричных вибраторов выполнено из двух отрезков параллельных проводников неравной длины l₁ и l₂. Длины l₁ и l₂ соотносятся друг с другом как 0,4-0,6, а длина l₂ большего отрезка в каждом плече выбрана равной четверти средней длины волны рабочего диапазона. Отрезки проводников разнесены друг относительно друга на расстояние d=(0,001-0,0015)λ_max, где λ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона. Отрезки проводников плеч подключены к соответствующим проводам снижения. Нижние концы проводов снижения подключены к соответствующим выходам (входам) коммутатора режимов работы (КРР). Первый и второй, третий и четвертый выходы (входы) КРР являются соответственно первым и вторым симметричными выходами (входами) антенны, а пятый выход (вход) КРР является несимметричным выходом (входом) антенны. К первому симметричному входу (выходу) антенны подключен входами (выходами) фазовращатель. Выходы (входы) фазовращателя подключены к фазосдвигающим входам (выходам) КРР. 3 з.п. ф-лы, 14 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенной технике, и, в частности, заявленная многомодовая* (*Под многомодовостью антенны здесь и далее понимается ее способность к излучению (приему) электромагнитных волн различной поляризации: линейной (вертикальной, горизонтальной) или вращающейся (левосторонней, правосторонней) мачтовая антенна может быть использована в качестве диапазонной коротковолновой (KB) передающей (приемной) антенны, обеспечивающей работу как земными волнами, так и ионосферными волнами с различными видами поляризации.

Известна мачтовая широкодиапазонная вибраторная антенна по патенту ГДР №89893 от 23.06.71, которая представляет собой два несимметричных вертикальных вибратора с верхней емкостной нагрузкой, настроенных на работу в разных диапазонах частот, размещенных вертикально (один над другим) на одной мачте. Работа в относительно широком диапазоне частот здесь осуществляется за счет подключения к выходу передатчика (входу приемника) одного из вибраторов. Коммутация вибраторов осуществляется при помощи контактов электронных реле, конструктивно размещенных в мачте антенны. Управление положением контактов осуществляется переключателем, размещенным на пульте оператора.

Недостатком данной антенны является ограниченная область применения, обусловленная тем, что антенна работает только в одномодовом режиме (с вертикальной поляризацией) и обеспечивает работу только земной волной.

Известен широкий класс диапазонных мачтовых антенн, используемых в подвижных автомобильных KB радиостанциях (см., например, книгу Гвоздев И.Н., Муравьев Ю.К. и др. Характеристики антенн радиосистем связи. - Л.: ВАС, 1978, с.81-97). Так известная мачтовая антенна, описанная на с.81 указанной книги, состоит из двух наклонных плеч, закрепленных у вершины мачты и подключенных к двум проводам снижения. Путем коммутации схемы подключения проводов снижения к выходу радиостанции по симметричной или по несимметричной схемам обеспечивается формирование соответственно антенны зенитного излучения с линейной горизонтальной поляризацией или несимметричного вертикального вибратора с емкостной нагрузкой с линейной вертикальной поляризацией. Однако известная антенна имеет узкую область применения из-за ограниченного рабочего диапазона частот.

Наиболее близкой по своей технической сущности к заявленной является известная мачтовая антенна, описанная в книге Гвоздев И.Н., Муравьев Ю.К. и др. Характеристики антенн радиосистем связи. - Л.: ВАС, 1978, с.86. Антенна-прототип состоит из двух наклонных плеч, закрепленных у вершины мачты и подключенных к двум проводам снижения. Каждое плечо состоит из двух отрезков проводника неравной длины l₁ и l₂, которые с помощью короткозамкнутых (к.з.) перемычек либо включаются последовательно, либо разъединяются. С помощью коммутатора режимов работы, установленного на входе радиостанции, провода снижения могут подключаться по симметричной или несимметричной схемам. Отключением или подключением к.з. перемычек обеспечивается «укорочение» или «удлинение» полотна антенны, чем обеспечивается расширение диапазона рабочих частот.

Кроме того, изменением схемы подключения проводов снижения достигается формирование двух электрических типов антенны: в виде симметричного наклонного вибратора с горизонтальной линейной поляризацией или в виде несимметричного вертикального вибратора с верхней емкостной нагрузкой (вертикальная линейная поляризация).

Однако антенна-прототип имеет недостатки:

- относительно невысокая мобильность, т.к. для перехода из одного поддиапазона рабочих частот к другому необходимо опустить (затем поднять) полотно антенны для подключения (отключения) к.з. перемычек;

- ограниченное число возможных мод излучаемого антенной электромагнитного поля (только линейной поляризации).

Отмеченные недостатки ограничивают область применения антенны-прототипа.

Целью изобретения являются разработка многомодовой мачтовой антенны, обеспечивающей расширение диапазона рабочих частот и возможной области ее использования как в стационарных, так и в мобильных средствах радиосвязи, за счет снижения времени изменения режима излучения и перехода от одного частотного поддиапазона к другому.

Заявленное устройство расширяет арсенал средств данного назначения.

Поставленная цель достигается тем, что в известной многомодовой мачтовой антенне, содержащей мачту, на которой закреплен первый симметричный вибратор, каждое плечо которого выполнено из двух неравных по длине отрезков провода l₁ и l₂ и двух проводов снижения, подключенных к коммутатору режимов работы, дополнительно введены фазовращатель, второй симметричный вибратор, выполненный идентично первому, и шесть проводов снижения, подключенных к дополнительным входам коммутатора режимов работы. Второй симметричный вибратор установлен ортогонально первому. Отрезки проводников каждого из плеч симметричных вибраторов у вершины мачты подключены к соответствующим проводам снижения. В каждом плече симметричных вибраторов отрезки проводов l₁ и l₂ установлены параллельно на расстоянии d друг от друга. Первый и второй, третий и четвертый входы коммутатора режимов работы являются соответственно первым и вторым симметричными входами антенны, а пятый вход коммутатора режимов работы является несимметричным входом антенны. Входы и выходы фазовращателя подключены соответственно к первому симметричному входу антенны и фазосдвигающим входам коммутатора режимов работы.

Расстояние d между отрезками проводов в каждом плече выбрано в пределах (0,001-0,0015)λ_max, где λ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона.

Отрезки l₁ и l₂ проводов в каждом плече соотносятся как 0,4-0,6, а длина l₂ большего отрезка в каждом плече выбрана равной четверти средней длины волны рабочего диапазона.

Фазовращатель выполнен в виде коммутируемой дискретной реактивной цепи на отрезках коаксиального кабеля.

Благодаря новой совокупности существенных признаков, введения в структуру излучающего полотна антенны дополнительного вибратора и соответствующей схемы подключения вибраторов к коммутатору режимов работы обеспечивается возбуждение в проводах антенны, в зависимости от выбранного режима работы, синфазных или противофазных токов, чем обеспечивается не только многомодовый режим работы, но и расширение диапазона рабочих частот и, следовательно, расширение области возможного использования антенны.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют в известных источниках информации, что указывает на соответствие заявленного изобретения условию патентоспособности «новизна».

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемого объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники, из которого не выявлена также известность влияния преобразований, предусматриваемых существенными признаками заявляемого изобретения, на достижение указанного результата, что позволяет считать заявляемый объект соответствующим условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Заявленная многомодовая мачтовая антенна поясняется чертежами, на которых показаны:

на фиг.1 - общий вид антенны;

на фиг.2-9 - эквивалентные электрические схемы, схемы включения и диаграммы направленности антенны для различных режимов работы;

на фиг.10 - принципиальная схема коммутатора режимов работы;

на фиг.11 - схема подключения антенны;

на фиг.12 - график зависимости коэффициента бегущей волны от рабочей частоты для различных режимов работы;

на фиг.13 - график зависимости коэффициента эллиптичности излучаемого электромагнитного поля от угла возвышения 9 при работе антенны в режимах с вращающейся поляризацией;

на фиг.14 - измеренные диаграммы направленности в различных режимах работы антенны.

Заявленная многомодовая мачтовая антенна, показанная на фиг.1, состоит из двух ортогонально расположенных наклонных симметричных вибраторов, идентичных друг другу, и восьми проводов снижения 6. Каждое из плеч симметричных вибраторов выполнено из двух отрезков параллельных проводников неравной длины l₁ 1 и l₂ 2, причем длины l₁ и l₂ соотносятся друг с другом как 0,4-0,6, а длина l₂ большего отрезка в каждом плече выбрана равной четверти средней длины волны рабочего диапазона. Отрезки проводов 1 и 2 каждого из плеч разнесены друг относительно друга в направлении, перпендикулярном их продольным осям, на расстояние d. Величину разноса d выбирают исходя из соотношения (0,001-0,0015)λ_max, где λ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона. Отрезки проводников плеч посредством изоляторов 7 закреплены у вершины мачты 3 и у земли. Каждый из отрезков 1, 2 плеч антенны у вершины мачты 3 подключен к соответствующему проводу снижения 6. Нижние концы проводов снижения 6 подключены к соответствующим восьми выходам (входам) 4.1-4.8 (см. фиг.11) коммутатора режимов работы (КРР) 4. Позиции 4.1-4.8 у КРР 4 будем называть выходами, в случае использования антенны в качестве передающей, и входами, если антенна используется в качестве приемной. Первый симметричный (I-I′), второй симметричны (II-II′) и несимметричный (III) выходы (входы) КРР 4 являются соответственно первым симметричным, вторым симметричным и несимметричным выходами (входами) антенны. К первому симметричному входу (выходу) антенны I-I′ подключены входы (выходы) 5.1 и 5.2 фазовращателя 5. Выходы (входы) 5.3 и 5.4 фазовращателя 5 подключены к фазосдвигающим входам (выходам) КРР 4.

Проводники плеч 1, 2 первого и второго симметричных вибраторов и провода снижения 6 могут быть выполнены из медного провода (антенного канатика) и разнесены на расстояния d при помощи диэлектрических пластин.

Мачта 3 предназначена для подъема антенного полотна на заданную высоту. В заявленном устройстве могут быть использованы стандартные телескопическая или составная мачты высотой H=10-12 м.

Коммутатор режимов работы 4, схема которого показана на фиг.10, предназначен для коммутации проводников проводов снижения, подключенных к его входам (выходам) 4.1-4.8, на входы (выходы) I-I′, II-II′ и III антенны, в соответствии с заданным режимом работы.

Фазовращатель 5 предназначен для сдвига фазы высокочастотного сигнала, поступающего с первого симметричного входа (выхода) антенны (плеч симметричных вибраторов, соответствующих заданному режиму работы), на величину ±90°, может быть выполнен в виде коммутируемой дискретной реактивной цепи на отрезках коаксиального кабеля. Схемы дискретных реактивных цепей известны и описаны, например, в кн. Бабков Ю.В., Муравьев Ю.К. Основы построения устройств согласования антенн. - Л., ВАС, 1980 г., стр.82-83, рис.218. Управление фазовращателем осуществляется передатчиком (приемником) радиостанции через управляющий вход (на схеме не показан) в соответствии с рабочей частотой.

Заявленная многомодовая мачтовая антенна работает следующим образом и обеспечивает следующие режимы работы.

1. Режим работы с линейной вертикальной поляризацией (ЛВП) для связи земной волной (ЗВ) в низкочастотном (НЧ) поддиапазоне рабочего диапазона частот (фиг.2)

2. Режим с ЛВП для связи ЗВ в высокочастотном (ВЧ) поддиапазоне рабочего диапазона частот (фиг.3)

3. Режим работы с линейной горизонтальной поляризацией (ЛГП) для связи ионосферными волнами (ИВ) в НЧ поддиапазоне рабочего диапазона частот (фиг.4)

4. Режим работы с ЛГП для связи ИВ в ВЧ поддиапазоне рабочего диапазона частот (фиг.5)

5. Режим работы с ЛГП для связи ИВ в полном рабочем диапазоне частот, охватывающем НЧ и ВЧ поддиапазоны (фиг.6)

6. Дуплексный режим работы с ЛГП для связи ИВ с разносом по поляризации и по частоте (фиг.7)

7. Режим с вращающейся (левосторонней или правосторонней) поляризацией (ВрП) для связи ИВ в ВЧ поддиапазоне рабочего диапазона частот (фиг.8)

8. Режим с ВрП (левосторонней или правосторонней) для связи ИВ в НЧ поддиапазоне рабочего диапазона частот (фиг.9)

Первый режим работы используется при необходимости работы земной волной в НЧ части рабочего диапазона частот. В этом режиме все восемь проводников снижения подключают параллельно к несимметричному входу антенны III (фиг.2б). Т.о. антенна трансформируется в несимметричный вибратор с разветвленной верхней емкостной нагрузкой (фиг.2а). Диаграмма направленности (ДН) в данном режиме идентична ДН несимметричного вибратора, расположенного на земле (фиг.2в).

Второй режим работы, также как и первый, используют для работы ЗВ, но в ВЧ части диапазона частот. В этом режиме не требуется разветвленной верхней нагрузки и поэтому в качестве емкостной нагрузки используют плечи только одного из симметричных вибраторов (фиг.3б). В этом режиме оба плеча симметричного вибратора подключают к несимметричному входу антенны III, антенна преобразуется в несимметричный вибратор с верхней емкостной нагрузкой (фиг.3а), т.к. емкостная нагрузка меньше, чем при первом режиме работы, то рабочий диапазон антенны сдвигается в ВЧ область диапазона рабочих частот. Диаграмма направленности (ДН) в данном режиме (фиг.3в) аналогична ДН антенны в первом режиме.

Третий режим работы используют при необходимости работы ИВ в НЧ области диапазона рабочих частот. В этом случае плечи первого или второго симметричного вибратора подключают по симметричной схеме к соответствующим зажимам первого или второго симметричных входов антенны I-I′ (II-II′) (фиг.4б). Причем оба проводника каждого из плеч соединяют в параллель, т.е. длина каждого плеча оказывается равной длине l₂, бóльшего 1 из проводников. Эквивалентная электрическая схема антенны в данном режиме работы показана на фиг.4а. ДН (фиг.4в) аналогична диаграмме направленности симметричного вибратора поднятого над землей, т.е. антенна работает в режиме зенитного излучения.

Четвертый режим работы используют при необходимости работы ИВ в ВЧ области диапазона рабочих частот. При этом проводники каждого из плеч первого или второго симметричных вибраторов подключают к противоположным зажимам первого или второго симметричных входов антенны I-I′ (II-II′). Такое включение антенны эквивалентно «выносу» точек возбуждения от симметричных входов антенны в сечения 1-1 каждого из плеч вибратора (фиг.5б). Эквивалентная схема (фиг.5а) представляет собой параллельное включение двух «укороченных» симметричных вибраторов с длинами плеч l₁, следовательно, рабочий диапазон антенны сдвигается в ВЧ область диапазона рабочих частот. ДН (фиг.5в) идентична ДН при четвертом режиме работы с максимумом излучения в зенит.

При необходимости работы в непрерывном (без переключений) диапазоне частот, охватывающем НЧ и ВЧ поддиапазоны, используют пятый режим (фиг.6). Такой режим, в частности, необходим при работе радиостанциями в режиме с программной перестройкой рабочих частот (ППРЧ). В данном случае проводники плеч коммутируют в виде симметричного вибратора, каждое плечо которого представляет два расходящихся под прямым углом проводника (фиг.5а). В свою очередь, проводники такого плеча состоят из включенных в параллель отрезков 1, 2, принадлежащим смежным плечам первого и второго симметричных вибраторов. В данной схеме реализуется принцип самодополнительности, при котором достигается наибольшая диапазонность антенны по согласованию. ДН антенны в этом режиме работы (фиг.6в) имеет максимум излучения в зенит.

Шестой режим работы используют при необходимости дуплексной работы с использованием ИВ. В данном режиме развязка между антеннами обеспечивается как за счет частотного, так и поляризационного разноса (в силу ортогональности плеч). При данном режиме работы первый симметричный вибратор используют в НЧ области диапазона и подключают аналогично подключению антенны в третьем режиме работы, к первому симметричному входу антенны I-I′, а второй симметричный вибратор используют в ВЧ области диапазона и подключают аналогично подключению при четвертом режиме работы к второму симметричному входу антенны II-II′ (фиг.7б). Эквивалентная схема антенны для данного режима работы показана на фиг.7а. ДН при данном режиме работы (фиг.7в) аналогична ДН симметричного вибратора, поднятого над землей.

Седьмой режим работы используют при необходимости работы ионосферной волной с вращающейся поляризацией в ВЧ области рабочего диапазона частот. В этом случае первый и второй симметричные вибраторы подключают по схеме с вынесенной точкой питания (аналогично четвертому режиму работы). Причем первый симметричный вибратор подключают к первому симметричному входу антенны, а второй симметричный вибратор подключают к фазосдвигающим входам 4.9 и 4.10 коммутатора режимов работы 4 (фиг.8б). Эквивалентная электрическая схема антенны показана на фиг.8а. Кругополяризованное излучение (прием) в данном режиме обеспечивается одновременным выполнением трех условий: пространственной и фазовой квадратурой и равноамплитудностью возбуждения. При разности фаз +90° обеспечивается правое вращение, а при -90° - левое. ДН в вертикальной плоскости (фиг.8в) аналогична ДН симметричного вибратора, поднятого над землей.

Восьмой режим работы используют для работы ИВ с вращающейся поляризацией в НЧ части диапазона рабочих частот. В этом случае первый и второй симметричные вибраторы подключают по симметричной схеме (аналогично третьему режиму работы антенны), причем первый симметричный вибратор подключают к первому симметричному входу антенны I-I′, а второй - к фазосдвигающим входам коммутатора режимов работы 4.9 и 4.10 (фиг.9б). Эквивалентная схема антенны (фиг.9а) аналогична эквивалентной электрической схеме при седьмом режиме работы антенны. Отличие заключается в том, что симметричные вибраторы подключают по симметричной схеме.

Экспериментальные исследования диапазонных свойств заявленной антенны проводились на опытном образце антенны, развернутом на мачте высотой 12 м. Длина бóльшего провода плеча симметричного вибратора составляла l₂=28 м, мéньшего - l₂=14 м. Результаты измерений качества согласования - коэффициента бегущей волны (КБВ) заявленной антенны для различных режимов работы, приведенные на фиг.12, показывают, что уровень КБВ≥0,4 обеспечивается в диапазоне частот 2,5-8 МГц в режиме 3В и в диапазоне 3-12 МГц в режиме ИВ. На фиг.13 приведена зависимость коэффициента эллиптичности (Кэ) излучаемого электромагнитного поля от угла возвышения θ при работе антенны в режимах с вращающейся поляризацией. Из графика видно, что под углами, близкими к зениту (θ≈70°-90°), Кэ>0,8, т.е. излучаемое поле близко к кругополяризованному. Полученные результаты подтверждают возможность работы в широком диапазоне частот при одновременном существенном повышении мобильности антенны, т.к. переход из одного режима работы в другой происходит изменением положения переключателя в коммутаторе режимов работы 4, схема которого показана на фиг.4.

Проверка характеристик направленности в вертикальной и горизонтальной плоскостях заявленной антенны проводилась на модели (масштаб моделирования 1:10). На фиг.14а, б, в, г, д, е показаны диаграммы направленности заявленной антенны (сплошные линии), работающей соответственно в третьем, восьмом и четвертом режимах работы, и прототипа (пунктирные линии), работающего с длиной плеча 28 м и 15 м. Полученные результаты также подтверждают возможность формирования антенной требуемой ДН для работы в режимах ЗВ и ИВ.

Таким образом, использование заявленной антенны при относительной простоте конструкции существенно повышает мобильность антенны, что позволяет ее применять для работы в широком диапазоне частот как в составе стационарных, так и в составе мобильных KB радиостанций средней мощности, т.е. расширяет область возможного ее использования.

1. Многомодовая мачтовая антенна, содержащая мачту, на которой закреплен первый симметричный вибратор, каждое плечо которого выполнено из двух неравных по длине отрезков провода l₁ и l₂ и двух проводов снижения, подключенных к коммутатору режимов работы, отличающаяся тем, что дополнительно введены фазовращатель, второй симметричный вибратор, выполненный идентично первому, и шесть проводов снижения, подключенных к дополнительным входам коммутатора режимов работы, второй симметричный вибратор установлен ортогонально первому, отрезки проводников каждого из плеч симметричных вибраторов у вершины мачты подключены к соответствующим проводам снижения, в каждом плече симметричных вибраторов отрезки проводов l₁ и l₂ установлены параллельно на расстоянии d друг от друга, первый и второй, третий и четвертый входы коммутатора режимов работы являются соответственно первым и вторым симметричными входами антенны, а пятый вход коммутатора режимов работы является несимметричным входом антенны, причем входы и выходы фазовращателя подключены соответственно к первому симметричному входу антенны и фазосдвигающим входам коммутатора режимов работы, при этом коммутатор режимов работы обеспечивает параллельное подключение всех восьми проводников снижения к несимметричному входу антенны, параллельное подключение проводников двух плеч одного из симметричных вибраторов к несимметричному входу антенны, подключение проводников первого и второго плеч одного из симметричных вибраторов в параллель к противоположным зажимам одного из симметричных входов антенны, подключение проводников первого и второго плеч одного из симметричных вибраторов к противоположным зажимам одного из симметричных входов антенны, подключение проводников пар плеч, принадлежащих ортогональным симметричным вибраторам, в параллель к противоположным зажимам одного из симметричных входов антенны, подключение проводников первого и второго плеч первого симметричного вибратора в параллель к противоположным зажимам первого симметричного входа антенны, а проводников первого и второго плеч второго симметричного вибратора - к противоположным зажимам второго симметричного входа антенны, подключение проводников первого и второго плеч первого и второго симметричных вибраторов к противоположным зажимам одного из симметричных входов антенны, причем плечи одного из симметричных вибраторов подключены к зажимам непосредственно, а плечи другого - через фазовращатель, подключение проводников первого и второго плеч первого и второго симметричных вибраторов в параллель к противоположным зажимам одного из симметричных входов антенны, причем плечи одного из симметричных вибраторов подключены к зажимам непосредственно, а другого - через фазовращатель.

2. Многомодовая мачтовая антенна по п.1, отличающаяся тем, что расстояние d между отрезками проводов в каждом плече выбрано в пределах (0,001-0,0015)λ_max, где λ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона.

3. Многомодовая мачтовая антенна по п.1, отличающаяся тем, что отрезки l₁ и l₂ проводов в каждом плече соотносятся как 0,4-0,6, а длина l₂ большего отрезка в каждом плече выбрана равной четверти средней длины волны рабочего диапазона.

4. Многомодовая мачтовая антенна по п.1, отличающаяся тем, что фазовращатель выполнен в виде коммутируемой дискретной реактивной цепи на отрезках коаксиального кабеля.