"карусельная" антенна кругового излучения вертикальной поляризации

Изобретение относится к области электрорадиотехники, в частности к «карусельной» антенне (по внешнему виду напоминающую карусель), содержащей единое замкнутое по окружности полотно. Это полотно образовано четырьмя парами ромбообразных секций. Внутри полотна вертикально установлен рефлектор. Рефлектор представляет собой цилиндр. Цилиндр составлен из вертикальных проводников. Проводники цилиндра параллельны друг другу. Радиус цилиндра меньше радиуса полотна на (0,15-0,27)λ_ср, где λ_ср - средняя длина волны. Антенна функционирует как своеобразная фазированная антенная решетка с четырехсторонней направленностью. Антенна имеет круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости. Существенно увеличен коэффициент усиления антенны при сужении диаграммы направленности в вертикальной плоскости. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве широкополосной антенны вертикальной поляризации с круговой диаграммой направленности в системах транспортной, мобильной и стационарной радиосвязи. Заявленная антенна может применяться преимущественно в метровом и дециметровом диапазонах радиоволн.

Известны антенны вертикальной поляризации с азимутально-изотропными диаграммами направленности без принципиальных ограничений рабочей полосы в сторону верхних частот, например дискоконусная антенна (Сазанов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. - М.: Высш. школа, 1988, стр.251, рис.10.7).

Недостатком данной антенны является недостаточно высокое значение коэффициента усиления.

Известна шунтовая антенна (пат. РФ №2113747, опубл. 20.06.1998), содержащая активный излучатель, выполненный в виде ряда параллельных проводников, расположенных друг от друга на расстоянии, много меньшем длины рабочей волны, равной длины горизонтальных проводников, присоединенных одними концами к соответствующим вертикальным проводникам, а вторыми концами к соединительному горизонтальному проводу, и генератор, включенный в один из вертикальных проводов, вертикальные провода расположены по ребрам правильной треугольной призмы, а равной длины горизонтальные провода выполнены радиально, расходящимися от центра симметрии антенны под углом 2π/3 друг к другу, при этом соединительные горизонтальные провода равной длины и формы образуют в верхней и нижней частях призмы идентичные фигуры, симметричные относительно центра симметрии, например круг.

Недостатком такой антенны является низкий коэффициент усиления, равный коэффициенту усиления короткого симметричного излучателя, и существенно изменяющаяся в горизонтальной и вертикальной плоскостях при вертикальной поляризации сигналов в зависимости от рабочей частоты диаграмма направленности.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой в качестве изобретения антенне является антенна (пат. РФ №2199804, опубл. 10.06.2002), содержащая две ромбообразные секции и, по меньшей мере, одну дополнительную ромбообразную секцию, подсоединенные смежно в ряд друг к другу. По периметру ромбообразных секций расположены проводники. В месте соединения двух ромбообразных секций между их проводниками выполнен зазор, предназначенный для подключения к проводникам двухпроводного фидера. Проводники дополнительной ромбообразной секции подсоединены к проводникам, расположенным в одинаковом с ними направлении по периметру смежной ромбообразной секции, с перекрещиванием.

Данная антенна вертикальной поляризации имеет высокий коэффициент усиления, но не обеспечивает круговую диаграмму направленности.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в обеспечении круговой диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, увеличении коэффициента усиления антенны при сужении диаграммы направленности в вертикальной плоскости.

Для достижения указанного технического результата в «карусельной» антенне кругового излучения вертикальной поляризации, содержащей пару ромбообразных секций с углами α, по периметру секций расположены проводники, имеющие длину, обеспечивающую образование точек нулевого потенциала, при этом проводники ромбообразных секций соединены в паре между собой с образованием зазора, предназначенного для подключения двухпроводного фидера, рефлектор, дополнительно введено несколько аналогичных пар ромбообразных секций и несколько двухпроводных фидеров, при этом количество пар ромбообразных секций и количество двухпроводных фидеров соответствуют условию обеспечения круговой диаграммы направленности, пары ромбообразных секций соединены между собой с перекрещиванием их проводников и с образованием в местах перекрещивания точек нулевого потенциала, при этом пары ромбообразных секций образуют единое замкнутое по окружности полотно с радиусом R, рефлектор расположен вертикально внутри полотна из ромбообразных секций и представляет собой цилиндр с радиусом r, боковая поверхность цилиндра составлена из вертикальных проводников, расположенных параллельно друг другу и на расстоянии друг от друга, меньшем

0,1λ_мин/2, где λ_мин - минимальная длина волны, при этом радиус цилиндра r меньше радиуса R полотна из ромбообразных секций на (0,15-0,27)λ_ср, где λ_ср - средняя длина волны, а высота цилиндра больше λ_макс/2, где λ_макс - максимальная длина волны, угол α выбран из условия обеспечения максимального коэффициента усиления антенны

Отличительными признаками предлагаемой «карусельной» антенны от указанной выше известной, наиболее близкой к ней, являются следующие:

- дополнительное введение нескольких аналогичных пар ромбообразных секций и несколько двухпроводных фидеров;

- общее количество пар ромбообразных секций кратно четырем,

- количество двухпроводных фидеров равно четырем,

- пары ромбообразных секций соединены между собой с перекрещиванием их проводников и с образованием в местах перекрещивания точек нулевого потенциала,

- пары ромбообразных секций образуют единое замкнутое по окружности полотно,

- рефлектор расположен вертикально внутри полотна из ромбообразных секций и представляет собой цилиндр, боковая поверхность которого составлена из вертикальных проводников;

- проводники цилиндра расположены параллельно друг другу и на расстоянии друг от друга, меньшем 0,1λ_мин/2, где λ_мин - минимальная длина волны;

- радиус цилиндра меньше радиуса полотна из ромбообразных секций на

(0,15- 0,27)λ_ср, где λ_ср - средняя длина волны, а высота цилиндра больше λ_макс/2, где λ_макс- максимальная длина волны;

- угол α составляет 90°.

Благодаря наличию этих признаков предлагаемая «карусельная» антенна имеет четкую круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости и высокий коэффициент усиления при сужении диаграммы направленности в вертикальной плоскости.

При этом, если количество пар ромбообразных секций не будет кратно четырем, а количество двухпроводных фидеров будет меньше или больше четырех, то антенна не имеет круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости. Кроме того, параметры антенны сильно ухудшаются: коэффициент стоячей волны (КСВ) сильно снижается, существенно меняется входное сопротивление на различных частотах. Выполнение рефлектора в форме цилиндра, составленного из вертикальных проводников, способствует обеспечению круговой диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости и, кроме того, увеличению коэффициента усиления при сужении диаграммы направленности в вертикальной плоскости. Выполнение ромбообразных секций с углами, равными 90°, способствует максимальному увеличению коэффициента усиления предлагаемой антенны.

Предлагаемая «карусельная» антенна иллюстрируется чертежами, представленными нафиг.1-5.

На фиг.1 схематично изображена предлагаемая «карусельная» антенна, на фиг.2 - то же, вид сверху, на фиг.3 - диаграмма направленности «карусельной» антенны в горизонтальной плоскости, на фиг.4 - диаграмма направленности «карусельной» антенны в вертикальной плоскости, на фиг.5 - график изменения коэффициента стоячей волны в рабочем диапазоне частот «карусельной» антенны.

Антенна (фиг.1) содержит четыре пары 1 ромбообразных секций. По периметру пар 1 ромбообразных секций расположены проводники 2. Длина проводников 2 составляет λ_ср/4, где λ_ср - средняя длина волны. Проводники 2 в каждой паре 1 ромбообразных секций соединены между собой с образованием зазора 3. Зазор 3 предназначен для подключения двухпроводного фидера 4. Пары 1 ромбообразных секций соединены между собой с перекрещиванием их проводников 2 и с образованием в местах перекрещивания точек 5 нулевого потенциала. Пары 1 ромбообразных секций образуют единое замкнутое по окружности полотно 6, имеющее радиус R (фиг.2) и по внешнему виду напоминающее карусель. Зазоры 3, расположенные в полотне 6 напротив друг друга, соединены между собой двухпроводными фидерами 4, каждый из которых имеет сопротивление 300 Ом, в точках перекрещивания этих двухпроводных фидеров 4 последние соединены друг с другом с образованием точек 10 питания антенны сопротивлением 75 Ом, т.e. происходит уменьшение результирующего сопротивления антенны приблизительно в 4 раза, что хорошо согласуется с фидером в 75 Ом. Внутри полотна 6 вертикально расположен рефлектор 7 (фиг.1). Рефлектор 7 представляет собой цилиндр 8 с радиусом окружности r (фиг.2), боковая поверхность которого составлена из вертикально и параллельно расположенных проводников 9. Проводники 9 расположены друг от друга на расстоянии, меньшем 0,1 λ_мин/2, где λ_мин - минимальная длина волны. Высота Н цилиндра 8 больше λ_макс/2, где λ_макс- максимальная длина волны. Радиус r цилиндра 8 меньше радиуса R полотна 6 на (0,15-0,27)λ_ср, где λ_ср - средняя длина волны.

Работает «карусельная» антенна следующим образом.

Под воздействием ЭДС, приложенной к зазорам 3, в проводниках 2 возникают токи. Благодаря длине проводников 2, равной λ_ср/4, и наличию точек 5 нулевого потенциала все проводники 2 сфазированы с ориентацией вектора электрического поля Е параллельно оси Y. Антенна при этом функционирует как своеобразная фазированная антенная решетка (ФАР), но имеющая четырехстороннюю направленность. Выполнение рефлектора 7 в форме цилиндра 8, боковая поверхность которого составлена из проводников 9, расположенных вертикально и параллельно друг другу и на расстоянии друг от друга, меньшем 0,1 λ_мин/2, не только устраняет излучение от полотна 6 за его пределы в сторону рефлектора 7, но и обеспечивает равномерное излучение вертикально поляризованных волн во всех направлениях в горизонтальной плоскости. Кроме того, выполнение полотна 6 из ромбообразных секций 1 в виде единого замкнутого по окружности и расположение рефлектора 7 внутри полотна 6 также обеспечивают равномерное излучение вертикально поляризованных волн во всех направлениях в горизонтальной плоскости, т.е. круговую диаграмму направленности. Подобное конструктивное выполнение антенны способствует увеличению апертуры антенны, что, в свою очередь, увеличивает коэффициент усиления антенны.

Результаты электронного моделирования полностью подтверждают анализ работы «карусельной» антенны кругового излучения вертикальной поляризации, что видно из диаграмм направленности в горизонтальной плоскости (фиг.3) и вертикальной плоскости (фиг.4). График изменения коэффициента стоячей волны в рабочем диапазоне частот (фиг.5) показывает ширину диапазона использования антенны и в метровом, и в дециметровом диапазонах.

Создан действующий макет заявляемой в качестве изобретения антенны, который при практических испытаниях полностью подтвердил результаты электронного моделирования.

1. «Карусельная» антенна кругового излучения вертикальной поляризации, содержащая пару ромбообразных секций с углами α, по периметру секций расположены проводники, имеющие длину, обеспечивающую образование точек нулевого потенциала, при этом проводники ромбообразных секций в паре соединены между собой с образованием зазора, предназначенного для подключения двухпроводного фидера, рефлектор, отличающаяся тем, что дополнительно введено несколько аналогичных пар ромбообразных секций и несколько двухпроводных фидеров, при этом количество пар ромбообразных секций и количество двухпроводных фидеров соответствуют условию обеспечения круговой диаграммы направленности, пары ромбообразных секций соединены между собой с перекрещиванием их проводников и с образованием в местах перекрещивания точек нулевого потенциала, при этом пары ромбообразных секций образуют единое замкнутое по окружности полотно с радиусом R, рефлектор расположен вертикально внутри полотна из ромбообразных секций и представляет собой цилиндр с радиусом r, боковая поверхность цилиндра составлена из вертикальных проводников, расположенных параллельно друг другу и на расстоянии друг от друга,
меньшем 0,1λ_мин/2, где λ_мин - минимальная длина волны, при этом радиус цилиндра r меньше радиуса R полотна из ромбообразных секций на (0,15-0,27)λ_ср, где λ_ср - средняя длина волны, а высота цилиндра больше λ_макс/2, где λ_макс - максимальная длина волны, угол α выбран из условия обеспечения максимального коэффициента усиления антенны.

2. «Карусельная» антенна по п.1, отличающаяся тем, что угол α составляет 90°.

3. «Карусельная» антенна по п.1, отличающаяся тем, что количество пар ромбообразных секций кратно четырем, а количество двухпроводных фидеров равно четырем.