Широкополосная турникетная щелевая антенна



Широкополосная турникетная щелевая антенна
Широкополосная турникетная щелевая антенна
Широкополосная турникетная щелевая антенна
Широкополосная турникетная щелевая антенна
Широкополосная турникетная щелевая антенна
Широкополосная турникетная щелевая антенна
Широкополосная турникетная щелевая антенна
Широкополосная турникетная щелевая антенна
Широкополосная турникетная щелевая антенна
Широкополосная турникетная щелевая антенна
Широкополосная турникетная щелевая антенна
Широкополосная турникетная щелевая антенна
Широкополосная турникетная щелевая антенна
Широкополосная турникетная щелевая антенна
Широкополосная турникетная щелевая антенна
Широкополосная турникетная щелевая антенна
Широкополосная турникетная щелевая антенна

 


Владельцы патента RU 2401492:

Войтович Николай Иванович (RU)
Репин Николай Николаевич (RU)

Изобретение относится к области радиотехники. Техническим результатом является создание прочной, жесткой конструкции антенны горизонтальной поляризации с диаграммой направленности в горизонтальной плоскости по форме, близкой к окружности, и может быть использована в качестве передающей, приемной или приемопередающей антенны в системах на УКВ и в СВЧ-диапазоне, в частности, в радиотелевизионных станциях, в системах слепой посадки самолетов, в аэродромных радионавигационных радиомаяках и др. Антенна содержит множество N пар проводящих пластин, образующих при соединении N щелей, множество М вертикальных стоек, верхний и нижний кронштейны, образующих совместно опору антенны, а также делитель мощности и фидеры. Щелевые излучатели обеспечивают согласование с фидером в 15% полосе частот с КСВ не более 1,05. 11 з.п. ф-лы, 17 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Это изобретение относится к радиоантеннам, а более конкретно к широкополосным антенным системам с горизонтальной поляризацией поля излучения, имеющим круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости, малый коэффициент стоячей волны, 1,15 и менее, в широкой полосе частот. Такие антенны необходимы для передачи и приема радиосигналов, телевизионных сигналов, в системах слепой посадки самолетов, в радионавигационных радиомаяках и других радиосистемах.

Уровень техники

Известна первая турникетная антенна, содержащая два взаимно-перпендикулярных горизонтальных вибратора, питаемых со сдвигом по фазе в 90° [П.Н.Рамлау, А.А.Пистолькорс. Патент на изобретение №17427. - Класс 21 a4, 4603. - Заявл. 21.12.1929, №60752. - Опубл. 30.09.1930. Трусканов Д.М. Развитие отечественной техники телевизионных передающих антенн. Сборник "Антенны". - М.: Связь. - 1967, №2. - Стр.5]. Известная первая турникетная антенна имеет значительный уровень излучения под большими углами места, что делает их не пригодными в качестве одиночных излучателей для радиовещания и телевидения в диапазоне ультракоротких волн. Известная первая турникетная антенна имеет недостатки, обусловленные выносом плеч вибратора относительно вертикальной оси антенны:

- большая неравномерность диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, достигающая величины ±3 дБ;

- при построении антенны в дециметровом диапазоне волн опора при разумном электрическом размере диаметра не обеспечивает необходимую прочность и жесткость антенны;

- низкий коэффициент направленного действия антенны;

- высокий уровень излучения в окрестности направления оси опоры, что при использовании антенны в качестве передающей телевизионной антенны обуславливает высокий уровень излучения на технической территории телевизионной станции, расположенной вблизи антенной опоры;

- сложна система питания антенны.

Известна вторая турникетная антенна (Б.В.Брауде. Плоскостной вибратор. Авторское свидетельство №69974 СССР. - Приоритет 12.04.1946. Опубл. 31.12.1947. Брауде Б.В. Новая широкополосная УКВ антенна для телевидения. - Радиотехника, 1947, №7), содержащая вертикальную опору в виде трубы, первую, вторую, третью и четвертую плоские прямоугольные пластины, первый и второй фидеры, каждый из которых выполнен на двух коаксиальных кабелях, делителя мощности и крепежных деталей. Первая и вторая пластины расположены в первой плоскости, проходящей через ось трубы, по разные стороны от трубы так, что одна из кромок параллельна оси трубы и верхняя угловая точка пластины соединена с трубой с образованием первой и второй короткозамкнутой щелевой линии передачи. Первая и вторая пластина, по существу, служат плечами первого плоскостного вибратора, запитанного первой и второй щелевыми линиями передачи. Третья и четвертая пластины расположены во второй плоскости, проходящей через ось трубы. перпендикулярно к первой плоскости. Третья и четвертая пластины совместно с трубой образуют третью и четвертую щелевую линию передачи, питающую второй плоскостной вибратор, образованный третьей и четвертой пластинами. Каждая щелевые линии передачи возбуждаются с помощью коаксиального кабеля, расположенного внутри трубы. При этом внешний проводник кабеля гальванически соединен с трубой, а центральный проводник через отверстие в трубе выведен наружу и гальванически соединен с кромкой пластины в нижней угловой точке пластины. Соседние щелевые линии передачи запитаны с 90 градусным сдвигом по фазе относительно друг друга. Такие антенны применялись в нашей стране на первых телевизионных станциях.

Известная вторая турникетная антенна имеет недостатки:

- большая неравномерность диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, достигающая величины ±3 дБ (Ерохин Г.А., Чернышев О.В., Козырев Н.Д., Кочержевский В.Г. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. Учебник для вузов. - М.: Радио и связь. - 1996. Стр.180);

- при построении антенны в дециметровом диапазоне волн опора при разумном электрическом размере диаметра физический диаметр имеет небольшую величину и поэтому опора не обеспечивает необходимую прочность и жесткость антенны;

- применение опор большого диаметра приводит к недопустимой неравномерности диаграммы направленности в горизонтальной плоскости.

Указанные выше недостатки обусловлены тем, что опора находится внутри щелей:

- мал коэффициент использования поверхности антенны из-за неравномерного распределения тока по поверхности и, как следствие, мал коэффициент направленного действия антенны;

- высокий уровень излучения в окрестности направления оси опоры, что при использовании антенны в качестве передающей телевизионной антенны обуславливает высокий уровень излучения на технической территории телевизионной станции, расположенной вблизи антенной опоры,

- сложна система питания.

Известна третья турникетная антенна (R.W.Masters. Antenna. US patent №2480154). Антенна содержит опору, четыре плоских пластины, четыре перемычки, систему питания. Четыре плоских пластины расположены радиально с интервалом 90° вокруг проводящей трубчатой мачты, служащей опорой антенны. Одна кромка каждой пластины простирается параллельно мачте на близком расстоянии от нее. Эта кромка с помощью перемычек гальванически соединена в своих крайней верхней и крайней нижней точках с мачтой. Кромка каждой из пластин, расположенная вдали от мачты, выполнена с V-образным вырезом. В результате ширина пластины изменяется от одной восьмой длины волны в центре пластины до одной четвертой длины волны на ее концах. Две пластины, расположенные в одной плоскости, представляют собой диполь Ж-образной формы. Каждое плечо запитывается коаксиальным кабелем. Диполи третьей известной турникетной антенны имеют больший коэффициент направленного действия, чем диполи первой известной турникетной антенны.

Однако:

- коэффициент использования поверхности антенны меньше, чем это можно получить, например, при равномерном распределении тока вдоль одной координаты и косинусоидальном распределении тока вдоль другой координаты на поверхности антенны;

- под антенной из Ж-образных вибраторов приходится увеличивать диаметр опоры. Проблема диаметра опоры усугубляется, когда на этой же опоре выше необходимо расположить другие антенны, например антенны других каналов. При большом разносе плеч Ж-образного вибратора, который пришлось бы применить из-за большого диаметра опоры, уже невозможно обеспечить равномерную диаграмму направленности в горизонтальной плоскости с точностью 3 дБ, что необходимо для равномерного покрытия круговой зоны действия;

- антенна имеет высокий уровень излучения в окрестности направления оси опоры. Сложна система питания антенны.

Известна четвертая турникетная антенна (О.М.Woodward. Broadband turnstile antenna. US patent №3932874), выполненная из четырех треугольных веерообразных излучающих элементов, размещенных вокруг вертикальной мачты. Каждый излучатель монтируется на мачте с помощью двух металлических кронштейнов, имеющих гальванический контакт с излучателями в угловых точках, удаленных от мачты. Излучающие элементы запитаны равной мощностью с относительными фазами 0°, 90°, 180° и 270°. Известная четвертая турникетная антенна имеет более широкую полосу рабочих частот по сравнению с полосой частот первой, второй и третьей известных турникетных антенн, однако обладает указанными выше недостатками первой, второй и третьей известных турникетных антенн.

Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является третья известная антенна, которая принята авторами за прототип.

Раскрытие изобретения

Целью изобретения является:

- уменьшение неравномерности диаграммы направленности в горизонтальной плоскости антенны с горизонтальной поляризацией,

- увеличение прочности и жесткости конструкции антенны,

- увеличение коэффициента направленного действия антенны,

- уменьшение уровня излучения в направлении вертикально вниз,

- упрощение схемы питания антенны,

- обеспечение защиты от влияния неблагоприятных метеорологических факторов на электрические параметры антенны.

Поставленные цели достигаются благодаря тому, что антенная система, содержащая множество пар проводящих пластин (каждая пара пластин расположена в одной из N плоскостей, где N≥1), делитель мощности и линии передачи электромагнитной энергии, дополнительно содержит множество М вертикальных стоек, где M≥2, N устройств согласования, верхний и нижний кронштейны, при этом множество N плоскостей образует пучок плоскостей с вертикальной осью, контур каждой пластины состоит из прямолинейной вертикальной кромки с уступом, верхней кромки, нижней кромки и прямолинейной вертикальной кромки, противолежащей к кромке с уступом; каждая пластина вертикальной кромкой с уступом совмещена с упомянутой осью пучка, причем пластины гальванически соединены друг с другом по линиям их сопряжения с образованием уступами N щелей; к каждой щели подведена одна из упомянутых линия передачи, при этом внешний проводник на конце каждой линии передачи гальванически соединен с одной из пластин в каждой из упомянутых пар пластин, а центральный проводник соединен с соответствующим согласующим устройством, связанным гальванически со второй пластиной из упомянутой пары пластин; линии передачи своими вторыми концами соединены с делителем мощности; стойки соединены с верхним и нижним кронштейнами с образованием опоры антенны; пластины соединены с опорой антенны.

Введение в состав антенны дополнительно множество М вертикальных стоек, где M≥2, верхнего и нижнего кронштейнов решает задачу создания прочной и жесткой конструкции антенны при воздействии ветровой нагрузки. Образование щелей, как указано выше, позволяет получить диаграмму направленности в горизонтальной плоскости по форме, близкой к кругу. Применение в антенне пластин, вертикальный размер которых больше, чем вертикальный размер щелей (больше половины длины волны), приводит к увеличения коэффициента направленного действия антенны, к снижению уровня излучения в направлении вертикально вниз, что позволяет обеспечить экологически более безопасные условия на расположенной вблизи антенной опоры технической территории радиотелевизионной станции.

Введение в состав антенны дополнительно согласующих устройств "решает задачу создания антенны с КСВН на уровне ниже 1, 15 в полосе нескольких телевизионных каналов.

Введение указанных выше устройств в совокупности решает задачу - создать антенну с входным сопротивлением 50 или 75 Ом,

- создать антенну, способную излучать сигналы с высоким уровнем мощности,

- создать антенну с практически постоянным входным сопротивлением в широком диапазоне частот, что важно для качества передаваемого сигнала,

- создать антенну с высокой механической прочностью, обеспечиваемой необходимым количеством стоек и формой и размерами их поперечного сечения, что позволяет размещать выше данной антенны другие антенны, например антенны для работы на других телевизионных каналах или в других частотных диапазонах,

- создать антенну, конструкция излучающих элементов которой обеспечивает соединение по постоянному току всех элементов с системой заземления опоры, на которой она устанавливается,

- создать антенну, обеспечивающую защиту от влияния неблагоприятных метеорологических факторов на ее электрические параметры.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена турникетная антенна в разобранном виде с двумя парами пластин в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.2 представлена турникетная антенна в собранном виде с двумя парами пластин в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.3 дан вид сверху на антенну в собранном виде, представленном на фиг.2.

На фиг.4 представлен другой вариант турникетной антенны в разобранном виде, в котором третья и четвертая, металлические пластины выполнены в виде одной плоской пластины.

На фиг.5 приведен другой вариант турникетной антенны, в котором пластины первая и четвертая, третья и вторая попарно объединены с образованием прямых пространственных двугранных углов.

На фиг.6 представлен другой вариант турникетной антенны, в котором пластины выполнены с вырезом треугольной формы.

На фиг.7 приведен другой вариант исполнения антенны, в которой пластины выполнены в виде решетки горизонтальных проводников, контуры щелей и пластин выполнены из вертикальных проводников.

На фиг.8 представлена линейная антенная решетка, в которой в качестве излучающих элементов применены щелевые турникетные излучатели.

На фиг.9 приведена диаграмма направленности в плоскости вектора Е первого образца антенны.

На фиг.10 приведена диаграмма направленности в плоскости вектора Н первого образца антенны.

На фиг.11 приведена диаграмма направленности второго образца антенны в плоскости вектора Е.

На фиг.12 приведена диаграмма направленности второго образца антенны в плоскости вектора Н.

На фиг.13 приведены расчетная (сплошная линия) и экспериментальная (пунктирная линия) диаграммы направленности третьего образца антенны в плоскости вектора Н на частоте 470 МГц.

На фиг.14 приведены расчетная и экспериментальная диаграммы направленности третьего образца антенны в плоскости вектора Н на частоте 550 МГц.

На фиг.15 приведены расчетная и экспериментальная диаграммы направленности третьего образца антенны в плоскости вектора Н на частоте 620 МГц.

На фиг.16 представлена зависимость КСВ от частоты для щелевого излучателя в составе четырехэлементной антенной решетки с обтекателем.

На фиг.17 приведены пунктирной линией диаграмма направленности антенны в плоскости вектора Е с четырьмя пластинами, сплошной линией - диаграмма направленности антенны с шестью пластинами по результатам расчета.

Осуществление изобретения

Обратимся к фиг.1, на которой представлена турникетная антенна 1 с двумя парами пластин в соответствии с настоящим изобретением. Антенна 1 содержит первую 2, вторую 3, третью 4 и четвертую 5 плоские металлические пластины, четыре стойки 6, 7, 8 и 9, делитель мощности 10 с входом 11 и с первым 12 и вторым 13 выходами, первый 14 и второй 15 фидеры, первое согласующее устройство 16, второе согласующее устройство 17, верхний и нижний кронштейны (кронштейны на фиг.1 не показаны), обтекатель (на фиг.1 обтекатель не показан). Каждая из пластин 2-5 имеет вертикальную кромку 18 с уступом 19, верхнюю кромку 20, нижнюю кромку 21 и прямолинейную вертикальную кромку 22. Пластины 2 и 3 лежат в первой плоскости 23, пластины 4 и 5 лежат во второй плоскости 24, ортогональной к плоскости 23. Линия пересечения 25 плоскостей 23 и 24 - вертикальная прямая линия.

Пластины 2-5 выполнены из хорошо проводящего материала, такого как алюминиевый сплав, медный сплав или сталь. Возможно применение фольгированных диэлектрических пластин. Стойки 6, 7, 8 и 9, верхний и нижний кронштейны могут быть выполнены из алюминиевых, латунных или стальных труб, швеллеров, уголков или иного проката или высокочастотного диэлектрика. В качестве фидера применен стандартный коаксиальный кабель. Согласующие устройства 16. и 17 выполнены в виде отрезков коаксиального кабеля. Делитель мощности рассчитывается по известным формулам, приведенным в учебниках по технической электродинамике или в справочниках по устройствам СВЧ. Обтекатель выполнен из высокочастотного диэлектрика.

Указанные выше устройства соединены между собой следующим образом (фиг.2). Первая 2, вторая 3, третья 4 и четвертая 5 пластины гальванически соединены между собой кромками 18 с образованием прямых двухгранных углов 26 с общей прямой 25 - ребром двугранного угла, называемым далее вертикальной осью 25 антенны. В плане полученное устройство имеет форму креста (фиг.3). Уступы 19 на кромках 18 на первой 2 и второй 3 пластинах при гальваническом соединении пластин образуют первую щель 27 с кромками 28 и 29, параллельными оси 25. Уступы 19 на кромках 18 на третьей 4 и четвертой 5 пластинах при гальваническом соединении пластин образуют вторую щель 30 с кромками 31 и 32, параллельными оси 25. Стойки 6, 7, 8 и 9 выполнены из металла, пластины 2-5 соединены со стойками и с верхним и нижним кронштейнами с образованием гальванического контакта между пластинами и стойками, между пластинами и верхним и нижним кронштейнами.

Внешний проводник 33 (фиг.3) первого фидера 14 гальванически соединен с первой пластиной 2, а центральный проводник 34 проложен над щелью 27 и гальванически соединен с центральным проводником 35 первого согласующего отрезка фидера 16, внешний проводник которого 36 гальванически соединен со второй пластиной 3. Второй конец первого фидера 14 соединен с первым выходом 12 делителя мощности 10.

Внешний проводник 37 второго фидера 15 гальванически соединен с третьей пластиной 4. Центральный проводник 38 проложен над щелью 30 и гальванически соединен с центральным проводником 39 второго согласующего отрезка фидера 17, внешний проводник 40 которого гальванически соединен с четвертой пластиной 5. Второй конец второго фидера 15 соединен со вторым выходом 13 делителя мощности 10.

Длины первого 14 и второго 15 фидеров отличаются друг от друга на четверть длины волны на рабочей частоте. Стойки 6-9 крепятся к верхнему и нижнему кронштейнам для придания жесткости конструкции антенны. Нижний кронштейн имеет отверстия для крепления антенны на мачте или башне. При этом верхний и нижний кронштейны могут быть выполнены в виде креста, диска или иной формы.

В другом варианте соединения стойки 6-9 соединены с верхним и нижним кронштейнами, пластины имеют гальванический контакт с верхним и нижним кронштейнами, при этом между пластинами и стойками образован зазор. В другом варианте соединения пластины соединены со стойками с образованием гальванического контакта, стойки соединены с верхним и нижним кронштейнами, при этом между пластинами и верхним и нижним кронштейнами образованы зазоры.

В другом варианте антенны 1 (фиг.4) третья 4 и четвертая 5 пластины выполнены совместно в виде одной пластины 41, в которой выполнена упомянутая щель 30.

В другом варианте антенны 1 (фиг.5) первая и третья пластины выполнены совместно в виде двугранной пластины 42, а вторая и четвертая пластины выполнены в виде двугранной пластины 43. В двухгранных пластинах 42 и 43 выполнены отверстия 44 и 45, которые при гальваническом соединении пластин 42 и 43 друг с другом образуют упомянутые щели 27 и 30.

Предпочтительно пластины 2-5 имеют форму прямоугольника. Однако возможны пластины иной конфигурации. На фиг.6 приведен пример выполнения антенн с пластинами 2-5 с вырезом треугольной формы. Возможны такие конфигурации пластин 2-5, что при их соединении образуются пластины с формой, которую называют "крылом летучей мыши". Пластины 2-5 могут быть выполнены в виде решетки из проводников, как указано на фиг.7.

Антенна работает в режиме передачи следующим образом. Мощность генератора, поступающая на вход 11 (фиг.3) делителя мощности 10, делится на две равные части. При этом сигналы на выходах 12 и 13 делителя синфазны друг с другом. Щель 27 возбуждается отрезком центрального проводника 34 фидера 14, расположенным в области между кромками 28 и 29. Щель 30 возбуждается отрезком центрального проводника 38 фидера 15, расположенным в области между кромками 31 и 32.

Щелевая антенна, реализованная первой 2, второй 3 пластинами и щелью 27, формирует в плоскости, ортогональной оси 25, первую диаграмму направленности в виде "восьмерки". При этом максимумы диаграммы направленности направлены перпендикулярно к плоскости 23, в которой расположены первая 2 и вторая 3 пластины.

Щелевая антенна, реализованная третьей 4, четвертой 5 пластинами и щелью 30, формирует в плоскости, ортогональной оси 25, вторую диаграмму направленности в виде "восьмерки". При этом максимумы диаграммы направленности направлены перпендикулярно к плоскости 24, в которой расположены третья 4 и четвертая пластины 5. В результате при графическом изображении "восьмерки", отображающие упомянутые первую и вторую диаграммы направленности, развернуты в плоскости относительно друг друга на 90°. Вследствие того, что фидеры 14 и 15 отличаются друг от друга на четверть длины волны на рабочей частоте, сигналы, излучаемые первой и второй щелевыми антеннами, сдвинуты между собой в пространстве по фазе на 90°. В результате сложения в пространстве сигналов, излучаемых первой и второй щелевыми антеннами, формируется диаграмма направленности в виде круга.

Обратимся теперь к фиг.8, на которой изображена турникетная антенна 46 в соответствии с настоящим изобретением, представляющая собой; по-существу, линейную вертикальную антенную решетку щелевых турникетных излучателей. Антенна 46 включает в себя первую 47, вторую 48, третью 49 и четвертую 50 пластины, первую 6, вторую 7, третью 8 и четвертую 9 стойки, верхний 51 и нижний 52 кронштейны, делитель мощности 53 на четыре направления, четыре делителя на основе квадратурных трехдецибельных направленных ответвителей 54, 55, 56 и 57, четыре соединительных фидера 58, 59, 60 и 61 равной длины, восемь фидеров 62-69 равной длины, соединяющих выходы упомянутых ответвителей с согласующими устройствами. Упомянутые четыре фидера 58-61 и восемь фидеров 62-69 выполнены из стандартного кабеля радиочастотного.

Каждая из пластин 47-50 имеет вертикальную кромку с четырьмя уступами, верхнюю кромку, нижнюю кромку, прямолинейную вертикальную кромку. Первая 47 и вторая 48 пластины лежат в первой плоскости, третья 49 и четвертая 50 пластины лежат во второй плоскости, ортогональной к первой плоскости. Расстояние между уступами больше половины длины волны, но меньше длины волны на рабочей частоте.

Стойки выполнены из швеллера. Каждый из фидеров 62-69 от делителей мощности 54-57, расположенных ниже нижнего кронштейна 52, проходит вверх через соответствующее отверстие 70 в нижнем кронштейне, проложен внутри швеллера, через отверстие 71 в швеллере, примыкающей к пластине, выведен из него и проложен вдоль соответствующей пластины.

Межэтажный делитель мощности 53 выполнен, например, на основе коаксиальной линии и радиального волновода. Представленная антенна работает аналогично работе антенны 1. При этом в вертикальной плоскости формируется диаграмма направленности, более узкая по сравнению с диаграммой направленности антенны 1.

Первый образец антенны

Был изготовлен первый образец антенны в соответствии с настоящим изобретением. При описании этого и последующих образцов антенны мы ссылаемся на цифровые обозначения фиг.1-8. Первый образец состоит из первой 2, второй 3, третьей 4, четвертой 5 пластин, четырех стоек 6, 7, 8 и 9, делителя мощности 10 на два направления, двух фидеров 14 и 15, первого согласующего отрезка фидера 16, второго согласующего отрезка фидера 17, верхнего 51 и нижнего 52 кронштейнов. В качестве стоек применены отрезки стандартного швеллера сечением 40×25 мм2. Верхний и нижний кронштейны выполнены в виде проводящих дисков диаметром 270 мм. Пластины 2-5 и упомянутые диски выполнены из луженой жести толщиной 0,3 мм. Макет изготовлен следующим образом. Были изготовлены два экземпляра пластины размером 400×210 мм2. В центре каждой пластины параллельно стороне длиною 400 мм прорезана щель с размерами 275×20 мм2. Первый экземпляр изготовленной пластины 41 применен в образце в качестве третьей 4 и четвертой 5 пластин со второй щелью 30. Для выполнения первой 2 и второй 3 пластин второй экземпляр изготовленной пластины был разрезан по прямой линии, совпадающей с осью щели. Полученные две пластины 2 и 3 припаяны к первому экземпляру пластины 41 с образованием второй щели 27. В результате получено устройство, имеющее в плане вид креста. Двугранные углы 26, образованные пластинами, каждый равен 90°. Пластины 2-5 припаяны к верхнему 51 и нижнему 52 кронштейнам, к стойкам 6-9. К первой пластине рядом с кромкой 28 щели 27 припаяна оплетка первого фидера 14 - коаксиального кабеля РК-50-2-21, на участке непосредственно за кромкой 28 внешний проводник кабеля удален, центральный проводник 34 коаксиального кабеля 14 продолжен в область щели 27 и припаян к центральному проводнику 35 первого согласующего отрезка кабеля 16, внешний проводник 36 которого припаян к второй пластине 3. Расстояние от места припайки кабеля до узкой (нижней) кромки щели равно 55 мм. К третьей пластине 4 в окрестности кромки 31 щели 30 припаяна оплетка второго фидера 15 - коаксиального кабеля РК-50-2-21, на участке непосредственно за кромкой 31 внешний проводник кабеля удален, центральный проводник 28 кабеля продолжен в область щели и припаян к центральному проводнику 39 второго согласующего отрезка 17 кабеля, внешний проводник 40 которого припаян к четвертой пластине 5. Места распайки первого 14 и второго 15 фидеров к пластинам разнесены по разные стороны от центра щелей. Если отсчитывать расстояние от узкого (нижнего) края первой щели до места распайки второго фидера, то расстояние равно 220 мм. Первый 14 и второй 15 фидеры, в качестве которых применен кабель радиочастотный РК-50-2-21, имеют равную длину. Длины согласующих отрезков 12 и 13, выполненных также из кабеля РК-50-2-21, равны 44 мм. В качестве делителя мощности 10 на два направления использован 3 дБ квадратурный направленный ответвитель на связанных полосковых линиях, который, как известно, обеспечивает деление мощности на две равные части и 90° сдвиг по фазе между выходными сигналами.

На фиг.9 приведена нормированная экспериментальная диаграмма направленности первого образца турникетной антенны в плоскости вектора Е. Нормировка диаграммы выполнена относительно среднеквадратичного уровня сигнала в плоскости вектора Е.

Как видно из графика на фиг.9, при возбуждении в представленном образце антенны двух ортогональных друг к другу щелей сигналами равной амплитуды, сдвинутыми по фазе на 90°, диаграмма направленности антенны в плоскости вектора Е близка по форме к окружности. Отклонения экспериментальной диаграммы направленности антенны от окружности не превышают величину +1,08÷-1,2 дБ.

На фиг.10 приведена нормированная экспериментальная диаграмма направленности первого образца турникетной антенны в плоскости вектора Н. На фиг.10 угол отсчитывается от оси 25 антенны. Нормировка диаграммы направленности выполнена относительно максимального уровня сигнала в плоскости вектора Н.

Второй образец антенны

Второй образец антенны отличается от первого образца тем, что между пластинами 2-5 и швеллерами 6-9, обращенными к торцам пластин своей широкой гранью, существует зазор 5 мм.

На фиг.11 приведена нормированная экспериментальная диаграмма направленности второго образца турникетной антенны в плоскости вектора Е. Нормировка диаграммы выполнена относительно среднеквадратичного уровня сигнала в плоскости вектора Е. Отклонения экспериментальной диаграммы направленности антенны от окружности не превышают величину +1,418÷-2,02 дБ.

На фиг.12 приведена нормированная экспериментальная диаграмма направленности второго образца турникетной антенны в плоскости вектора Н. Нормировка диаграммы направленности выполнена относительно максимального уровня сигнала в плоскости вектора Н.

Сравнение графиков на фиг.9-12 показывает, что наличие 5 мм зазора между пластинами и стойками практически не сказывается на диаграммах направленности антенны в плоскости вектора Е и в плоскости вектора Н.

Третий образец антенны

Был изготовлен третий образец антенны (фиг.8). Третий образец 46 представляет собой линейную вертикальную четырехэтажную антенную решетку щелевых турникетных излучателей.

Третий образец включает в себя первую 47, вторую 48, третью 49 и четвертую 50 пластины, первую 6, вторую 7, третью 8 и четвертую 9 стойки, верхний 51 и нижний 52 кронштейны, межэтажный делитель мощности 53 на 4 направления, четыре межэтажных фидера 58, 59, 60 и 61 равной длины, четыре трехдецибельных квадратурных направленных ответвителя 54, 55, 56 и 57, восемь фидеров 62-69 равной длины, восемь согласующих устройств.

Пластины 41, 2 и 3 (фиг.4) выполнены из алюминиевого листа. Пластина 41 имеет размеры 2049×120×2 мм3. Пластины 2 и 3 имеют размеры 2049×59×2 мм3. Щели имеют длину 230 мм, ширину 20 мм, расположены на расстоянии 475 мм друг от друга.

В качестве стоек 6-9 применены стандартные алюминиевые швеллеры сечением 30×30 мм2. Швеллеры полочкой обращены в сторону оси 25 антенны. Межэтажный делитель мощности 53 на четыре направления выполнен на основе коаксиальной линии передачи электромагнитной энергии. Фидеры 58-61 и 62-69 и согласующие устройства выполнены из кабеля РК-50-2-21.

Стойки 6-9 соединены с верхним 51 и нижним 52 швеллерами и образуют опору антенны. Пластины 41, 2 и 3 соединены со швеллерами с образованием гальванического контакта. Делитель мощности 53, трехдецибельные квадратурные направленные ответвители 54-57, и фидеры 58-61 расположены ниже нижнего кронштейна 52, к которому для защиты упомянутых устройств от неблагоприятных метеоусловий присоединена юбка в форме полого цилиндра.

Каждый радиочастотный кабель 62-69 выведен вверх через одно из отверстий 70 в нижнем 52 кронштейне, проложен внутри соответствующего швеллера, через отверстие 71 в широкой стенке швеллера выведен из него и проложен вдоль соответствующей пластины. Внешний проводник кабеля имеет гальванический контакт с пластиной в окрестности первой кромки щели. Центральный проводник коаксиального кабеля проложен над щелью и соединен с центральным проводником соответствующего согласующего отрезка фидера, внешний проводник которого соединен с пластиной в окрестности второй кромки щели.

Как показали эксперименты отклонения диаграммы направленности в плоскости вектора Е от окружности не превышают величину ±1,5 дБ.

На фиг.13-15 приведены расчетные и экспериментальные диаграммы направленности антенны в плоскости вектора Н на частотах 470 МГц, 550 МГц и 630 МГц соответственно. Как видно из представленных графиков, за счет применения решетки щелевых излучателей диаграмма направленности антенны в плоскости вектора Н имеет более узкий вид.

Численные модели антенн

Были выполнены численные исследования влияния на согласование фидера со щелевым излучателем в составе антенной решетки из четырех турникетных щелевых антенн, построенных аналогично третьему образцу антенны. Вычислены в диапазоне частот величина входного сопротивления щелевого излучателя и коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВ) в фидере в зависимости от размеров элементов антенны: размеров пластины, размеров щели, расстояния между излучателями в решетке, размеров швеллеров, размеров верхнего и нижнего кронштейнов и их расстояния до ближайшей щели, от длины согласующего отрезка фидера, от расстояния между точкой возбуждения щели и узким (нижним или верхним) краем щели, диаметра обтекателя. Предполагалось, что обтекатель выполнен из стеклопластика толщиной 3 мм. При этом решалась в строгой электродинамической постановке задача об излучении щели с учетом влияния всех упомянутых конструктивных элементов антенны, с учетом влияния соседних щелей, с учетом обтекателя.

Используя полученные закономерности в поведении входного сопротивления щели и КСВ в зависимости от указанных выше размеров, был выполнен параметрический синтез антенны для работы в широком диапазоне частот. Зависимость КСВ в фидере для отдельной щели в составе синтезированной четырехэтажной антенны приведена на фиг.16. Как видно из графика на фиг.16, КСВ в диапазоне частот 470-600 МГц не превышает величину, равную 1,2. Учитывая тот факт, что соседняя щель, расположенная в ортогональной плоскости, имеет 90-градусный сдвиг по фазе, будет в делителе мощности наблюдаться компенсация отраженных волн, что при идеальном делителе мощности позволит получить в указанном диапазоне частот величину КСВ турникетного щелевого излучателя в составе антенной решетки, меньшую 1,05.

Был выполнен для сравнения расчет диаграмм направленности антенны, содержащей две пары пластин и антенны, содержащей три пары пластин. В обеих антеннах размеры каждой пластины равны 400×210 мм2. В первой из упомянутых антенн пластины при соединении образуют четыре двугранных угла по 90° каждый, две щели. Во второй из упомянутых антенн пластины образуют шесть двугранных углов по 60° каждый, три щели. Амплитуды всех источников, возбуждающих щели, равны одному вольту. В первой антенне фазы источников, возбуждающих щели, отличаются друг от друга на 90°. Во второй антенне фазы источников, возбуждающих две соседние щели, отличаются друг от друга на 60°. Расчетные диаграммы направленности на частоте 550 МГц приведены на фиг.17. График, соответствующий диаграмме направленности с четырьмя пластинами, имеет вид пунктирной кривой линии. График, соответствующий диаграмме направленности с шестью пластинами, имеет вид непрерывной кривой.

Как видно из сравнения графиков, диаграмма направленности антенны с шестью пластинами отклоняется от окружности на меньшую величину, чем диаграмма направленности антенны с четырьмя пластинами.

Антенна может быть использована в качестве передающей, приемной или приемопередающей антенны в системах на УКВ и в СВЧ-диапазоне, в которых требуется обеспечить горизонтальную поляризацию поля излучения с диаграммой направленности в виде окружности в горизонтальной плоскости. В частности, такие антенны найдут применение для передачи и приема радиосигналов, телевизионных сигналов, в системах слепой посадки самолетов, в аэродромных радионавигационных радиомаяках и других радиосистемах.

1. Антенная система, содержащая множество пар проводящих пластин, каждая пара пластин расположена в одной из N плоскостей, где N≥1, делитель мощности и линии передачи электромагнитной энергии, отличающаяся тем, что дополнительно содержит множество М вертикальных стоек, где М≥2, N устройств согласования, верхний и нижний кронштейны, при этом множество N плоскостей образует пучок плоскостей с вертикальной осью, контур каждой пластины состоит из прямолинейной вертикальной кромки с уступом, верхней кромки, нижней кромки и прямолинейной вертикальной кромки, противолежащей кромке с уступом, каждая пластина вертикальной кромкой с уступом совмещена с упомянутой осью пучка, причем пластины гальванически соединены друг с другом с образованием уступами N щелей, к каждой щели подведена одна из упомянутых линий передачи, при этом внешний проводник на конце каждой линии передачи гальванически соединен с одной из пластин в каждой из упомянутых пар пластин, а центральный проводник соединен с соответствующим согласующим устройством, связанным гальванически со второй пластиной из упомянутой пары пластин, линии передачи своими вторыми концами соединены с делителем мощности, стойки соединены с верхним и нижним кронштейнами с образованием опоры антенны, пластины соединены с опорой антенны.

2. Антенная система по п.1, отличающаяся тем, что упомянутые пластины соединены с упомянутыми кронштейнами с образованием гальванического контакта.

3. Антенная система по п.1, отличающаяся тем, что упомянутые пластины соединены с упомянутыми стойками с образованием гальванического контакта.

4. Антенная система по п.1, отличающаяся тем, что упомянутые пластины соединены с упомянутыми стойками и с упомянутыми кронштейнами с образованием гальванического контакта.

5. Антенная система по п.1, отличающаяся тем, что в качестве согласующего устройства применен отрезок линии передачи.

6. Антенная система по п.1, отличающаяся тем, что в качестве линии передачи электромагнитной энергии применен коаксиальный кабель, в качестве согласующих устройств применены отрезки коаксиального кабеля.

7. Антенная система по п.1, содержащая первую и вторую металлические пластины, лежащие в первой плоскости, третью и четвертую металлические пластины, лежащие во второй плоскости, упомянутые первая и вторая плоскости образуют 90-градусные двугранные углы с вертикальной осью, четыре стойки, первый и второй коаксиальные кабели и делитель мощности с входом и первым и вторым синфазными равноамплитудными выходами, при этом разность длин первого и второго коаксиальных кабелей равна четверти длины волны на рабочей частоте; на первой, второй, третьей и четвертой пластинах на кромках, совмещенных с осью пересечения плоскостей, выполнены вырезы, образующие на упомянутых кромках уступы, упомянутые первая, вторая, третья и четвертая пластины гальванически соединены между собой кромками, на которых выполнены уступы, образуя при этом в плане крест и главную ось симметрии антенны, при этом уступы на первой и второй пластинах образуют первую щель, а уступы на третьей и четвертой пластинах в месте их соединения образуют вторую щель, причем оси щелей совпадают между собой и образуют главную ось симметрии антенны, упомянутые первая-четвертая пластины прямолинейными вертикальными кромками соединены со стойками, внешний проводник первого фидера гальванически соединен с первой пластиной в точке на краю первой щели, а центральный проводник продолжен в область щели и гальванически соединен с центральным проводником первого устройства согласования, внешний проводник которого гальванически соединен со второй пластиной, второй конец первого фидера соединен с первым выходом делителя мощности, внешний проводник второго фидера гальванически соединен с третьей пластиной, а центральный проводник продолжен в область щели и гальванически соединен с центральным проводником второго устройства согласования, внешний проводник которого гальванически соединен с четвертой пластиной, второй конец второго фидера соединен со вторым выходом делителя мощности.

8. Антенна по п.7, отличающаяся тем, что первая и вторая стойки расположены вне первой плоскости, третья и четвертая стойки расположены вне второй плоскости, при этом упомянутые стойки непосредственно не соединены с упомянутыми пластинами, первая-четвертая стойки соединены с нижним и верхним кронштейнами.

9. Антенна по п.6, отличающаяся тем, что первый и второй фидеры равны друг другу по длине, а в качестве делителя мощности применен 3 дБ квадратурный направленный ответвитель.

10. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит делитель мощности на Q направлений, где Q - целое число, Q квадратурных направленных 3 дБ ответвителей, Q соединительных фидеров, на первой, второй, третьей и четвертой пластинах выполнено на каждой по Q вырезов с образованием на одной из кромок каждой пластины Q уступов, уступы расположены на расстоянии друг от друга, большем половины длины волны, но меньшем или равном длине волны в свободном пространстве на рабочей частоте.

11. Антенная система по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит обтекатель.

12. Антенная система по п.11, отличающаяся тем, что содержит делитель мощности на 8 направлений, 8 фидеров, первые, вторые, третьи и четвертые пластины имеют размеры 4λх4λ (λ - длина волны), щели имеют размеры 0,5λ×04λ, щели расположены на расстоянии одной длины волны друг от друга на рабочей частоте, четыре фидера из упомянутых восьми фидеров отличаются по длине от остальных четырех фидеров на четверть длины волны, в качестве стоек применены алюминиевые швеллеры сечением 30×30 мм2, швеллеры соединены между собой с помощью верхнего и нижнего кронштейнов и образуют опору антенны, швеллеры расположены по углам квадрата и широкой стороной (полочкой) обращены в сторону оси креста; каждый из восьми радиочастотных кабелей от делителя мощности, расположенного ниже нижнего кронштейна, выведен вверх через отверстие в нижнем кронштейне, проложен внутри соответствующего швеллера, через отверстие в широкой стенке швеллера выведен из него и проложен вдоль соответствующей пластины, при этом внешний проводник кабеля соединен с пластиной с образованием гальванического контакта, а центральный проводник соединен с центральным проводником согласующего отрезка фидера, внешний проводник которого гальванически соединен с другой пластиной, лежащей в одной плоскости с первой упомянутой пластиной, вторые концы кабелей соединены с делителем мощности на 8 направлений.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к сверхширокополосным печатным антеннам СВЧ диапазона, и может найти применение в системах связи, радиодефектоскопии, радиомониторинге и других системах.

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к сверхширокополосным печатным антеннам СВЧ диапазона, и может найти применение в системах связи, радиодефектоскопии, радиомониторинге и других системах.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в технике СВЧ, в частности в технике спутникового телевидения. .

Изобретение относится к области антенной техники, в частности к волноводно-щелевым антенным решеткам. .

Изобретение относится к области электротехники, а именно к антенной технике. .

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к волноводно-щелевым антеннам, и может быть использовано как самостоятельно, так и в составе фазированной антенной решетки (ФАР) с механическим сканированием в двух плоскостях или электронным сканированием в Е-плоскости и механическим сканированием в Н-плоскости.

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к широкополосным антеннам СВЧ-диапазона. .

Изобретение относится к излучающей коаксиальной антенне (10), содержащей внутренний проводник (1), диэлектрик (2) вокруг внутреннего проводника (1) и первый экранирующий проводник (4), расположенный вокруг диэлектрика (2), первый экранирующий проводник имеет отверстия (41), распределенные в продольном направлении внутреннего проводника (1), и приспособленные так, что электромагнитная энергия проходит через отверстия (41).

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве излучающего устройства в миллиметровом диапазоне волн. .

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антеннам СВЧ, и может быть использовано в широкополосных системах связи. .

Изобретение относится к антенной технике и предназначено для расширения частотного диапазона и излучения пикосекундных сигналов рупорной антенной

Антенна // 2409880
Изобретение относится к области радиотехники, в частности к сверхширокополосным печатным антеннам СВЧ диапазона, и может найти применение в системах связи, в радиодефектоскопии, в задачах радиомониторинга

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ, а именно к антеннам с частотным сканированием, и может быть использовано в различных радиотехнических системах связи, радиолокации, радионавигации

Изобретение относится к области излучающих и/или принимающих антенн, в случае необходимости, типа решеток и, в частности, касается устройств преобразования для возбуждения ортогональных мод (или «преобразователей»), которыми оборудованы такие антенны

Изобретение относится к шлицевой антенне, в особенности к передающей антенне для идентификации частоты радиоволн (RFID)

Изобретение относится к сверхширокополосным рупорным антеннам, работающим в непрерывном диапазоне ультравысоких частот (УВЧ) и сверхвысоких частот (СВЧ)

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в беспроводных точках доступа

Изобретение относится к антеннам, используемым в составе антенных решеток подповерхностных георадаров, работающих в сверхширокополосном (СШП) диапазоне частот

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в системах радиосвязи, радиолокации и в охранных устройствах и системах, а также в системах приема передач спутникового телевизионного и радиовещания диапазонов СВЧ (сверхвысоких частот) и КВЧ (крайне высоких частот)

Изобретение относится к широкополосным антеннам СВЧ-диапазона
Наверх