Антенна вертикальной поляризации
Владельцы патента RU 2655638:
Акционерное общество "Научно-производственное объединение измерительной техники" (АО "НПО ИТ") (RU)
Изобретение относится к антенно-фидерным устройствам, а именно к антеннам вертикальной поляризации, предназначенным для радиосвязи вдоль поверхности земли.Технический результат состоит в увеличении коэффициента усиления в направлении горизонта, расширении рабочего диапазона, увеличении прочности для эксплуатации в тяжелых климатических условиях, уменьшении паразитного влияния металлической мачты. Антенна вертикальной поляризации содержит металлическую мачту, на верхнем конце которой закреплен излучатель, посредством первой металлической перемычки. Излучатель состоит из двух стержней, расположенных параллельно металлической мачте на расстояниях от нее много меньших длины рабочей волны. Концы стержней соединены между собой второй металлической перемычкой. Входной коаксиальный кабель проложен по металлической мачте и соединен с нею внешним проводником, а его центральный проводник присоединен ко второй металлической перемычке. Между оболочкой фидера и перемычкой в точках питания сделан зазор. Противовес выполнен подобно излучателю и содержит третью металлическую перемычку, посредством которой верхние концы стержней присоединены к металлической мачте. Длина стержней равна приблизительно длины волны нижнего края рабочего диапазона. На изоляторах напротив точки подключения входного коаксиального кабеля установлены пассивные элементы, расстояние между которыми меньше четверти волны рабочего диапазона частот. 1 ил.
Изобретение относится к антенно-фидерным устройствам, а именно к антеннам вертикальной поляризации, предназначенным для радиосвязи вдоль поверхности земли.
Известна антенна вертикальной поляризации в виде четвертьволнового штыря, расположенного в центре металлического диска или снабженного противовесом из нескольких четвертьволновых стержней (Д.М. Сазонов. Антенны и устройства СВЧ. Москва, «Высшая школа», 1988 г., стр. 250, рис. 10.5). Максимум диаграммы направленности этой антенны расположены под высокими углами к горизонту, что уменьшает уровень сигнала вдоль поверхности земли.
Недостатком этой антенны является малая широкополосность, не превышающая 10-15% (то же, стр. 251). Прочность горизонтальных или наклонных противовесов вследствие их консольного закрепления невелика, с учетом действия на них весовых и ветровых нагрузок в поперечном направлении.
Металлическая мачта, на вершине которой установлена антенна, соединена гальванически с нижним плечом антенны (диском или противовесом) и находится под высокочастотным напряжением, поэтому по ней текут токи, создающие паразитное излучение и уменьшающие коэффициент усиления антенны в направлении горизонта (А.С. Лавров, Г.Б. Резников. Антенно-фидерные устройства. Москва, «Сов. радио», 1974 г., стр. 123, рис. 6.4).
Некоторое расширение полосы согласования достигается выполнением штыря антенны в виде коаксиальной конструкции. (К.П. Харченко. УКВ антенны, «Радиософт», Москва, 2010 г., стр. 137, рис. 93). Другие отмеченные выше недостатки сохраняются и в данной конструкции.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является антенна с излучателем в виде двух стержней, расположенных параллельно мачте и соединенных с ее вершиной металлической перемычкой, и противовеса в виде стержней, соединенных с мачтой верхними концами, выбранная в качестве прототипа (К.П. Харченко, УКВ антенны, «Радиософт», Москва, 2010 г., стр. 138, рис. 94). Этой антенне также свойственны перечисленные недостатки.
Достигаемый технический результат состоит в увеличении коэффициента усиления в направлении горизонта, расширении рабочего диапазона, увеличении прочности для эксплуатации в тяжелых климатических условиях, уменьшении паразитного влияния металлической мачты.
Результат достигается тем, что в антенне вертикальной поляризации, содержащей металлическую мачту, излучатель в виде двух стержней, установленных на мачте симметрично и параллельной ей и соединенных с ее верхним концом первой металлической перемычкой, длиной много меньшей длины рабочей волны, причем нижние концы стержней соединены между собой второй металлической перемычкой, входной коаксиальный кабель, проложенный по металлической мачте и присоединенный центральным проводником ко второй металлической перемычке, а внешним проводником к металлической мачте с зазором и противовес в виде стержней, два одинаковых стержня противовеса расположены параллельно и симметрично относительно металлической мачты в одной плоскости со стержнями излучателя и соединены с ней в верхней части третьей металлической перемычкой, равной по длине первой металлической перемычке.
Для снижения нежелательного возбуждения металлической мачты против зазора между излучателем и третьей металлической перемычкой в плоскости стержней излучателя и противовеса симметрично зазору и металлической мачте установлены на изоляторах два пассивных элемента в виде стержней, длина которых меньше суммарной длины излучателя и противовеса, а расстояние между ними меньше четверти длины минимальной волны рабочего диапазона, причем длина пассивных элементов и расстояние между ними подбираются по наилучшему согласованию на верхних частотах заданного рабочего диапазона антенны вертикальной поляризации.
На чертеже представлена антенна вертикальной поляризации, вид спереди, где цифрами обозначено:
1 - металлическая мачта;
2 - излучатель;
3 - первая металлическая перемычка;
4 - стержень;
5 - вторая металлическая перемычка;
6 - входной коаксиальный кабель;
7 - противовес;
8 - третья металлическая перемычка;
9 - изолятор;
10 - пассивный элемент.
Антенна вертикальной поляризации содержит металлическую мачту 1, на верхнем конце которой закреплен излучатель 2 посредством первой металлической перемычки 3. Излучатель 2 состоит из двух стержней 4, расположенных параллельно металлической мачте на расстояниях от нее, много меньших длины рабочей волны. Концы стержней 4 соединены между собой второй металлической перемычкой 5. Входной коаксиальный кабель 6 проложен по металлической мачте 1 и соединен с ней внешним проводником, а его центральный проводник присоединен ко второй металлической перемычке. Между оболочкой фидера и перемычкой 5 в точках питания сделан зазор. Противовес 7 выполнен подобно излучателю 2 и содержит третью металлическую перемычку 8, посредством которой верхние концы стержней 4 присоединены к металлической мачте 1. Длина стержней 4 равна приблизительно длины волны нижнего края рабочего диапазона. На изоляторах 9 напротив точки подключения входного коаксиального кабеля 6 установлены пассивные элементы 9, расстояние между которыми меньше четверти волны рабочего диапазона частот.
Антенна работает следующим образом. Напряжение, подведенное по входному коаксиальному кабелю 6, возбуждает токи на излучателе 2 и на нижней части антенны, состоящей из мачты 1 и противовеса 7. Ток, протекающий по противовесу 7, много больше тока, протекающего по мачте 1, поскольку стержни противовеса 7 образуют отрезок линии длиной четверть волны, разомкнутый на конце. Его входное сопротивление в точке его присоединения к мачте мало (близко к нулю), поэтому ток в основном идет в противовес 7, а не по мачте. Для токов на мачте 1 образуется запирающий четвертьволновой стакан.
Токи, протекающие по излучателю 2 и противовесу 7, наводят токи в пассивных элементах 10, настроенных в резонанс на верхние частоты рабочего диапазона. Подбором длины пассивных элементов 10 и их расстояния от активных излучателя 2 и противовеса 7 можно в значительных пределах менять полосу согласования антенны. Введение пассивных элементов 10 дополнительно снижает нежелательное возбуждение металлической мачты 1 в диапазоне их действия, т.е. на верхних частотах рабочего диапазона, т.к. они экранированы от мачты 1 излучателем 2 и противовесом 7.
Так как предлагаемая антенна содержит только вертикальные излучающие элементы, максимум ее диаграммы в вертикальной плоскости направлен перпендикулярно металлической мачте 1, т.е. горизонтально. Поперечный размер антенны менее четверти длины волны, поэтому в горизонтальной плоскости ее диаграмма направленности практически круговая.
В конструкции антенны отсутствуют консольно закрепленные горизонтальные или наклонные элементы, поэтому ее прочность выше известных аналогов.
Для дальнейшего увеличения широкополосности полезно включить четвертьволновой трансформатор с повышенным волновым сопротивлением между входным коаксиальным кабелями 6 и точкой питания, например 75-омный трансформатор при 50-омном входном коаксиальном кабеле 6.
Работоспособность и достижение технического эффекта предложенной антенны подтверждаются многими проведенными заявителем экспериментами с макетами в разных частотных диапазонах. Например, антенна общей длиной 1010 мм, установленная на мачте диаметром 18 мм и длиной 3 м, с двумя пассивными элементами длиной 770 мм, расстояние между которыми 210 мм, согласована по КСВ менее 2 в диапазоне от 140 до 184 МГц имеет в этом диапазоне в вертикальной плоскости диаграмму направленности, совпадающую с диаграммой направленности вертикального вибратора, и круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости. Ее коэффициент усиления в этом диапазоне 1,5-1,6.
Антенна вертикальной поляризации, содержащая металлическую мачту, излучатель в виде двух стержней, установленных на мачте симметрично и параллельной ей и соединенных с ее верхним концом первой металлической перемычкой длиной, много меньшей длины рабочей волны, причем нижние концы стержней соединены между собой второй металлической перемычкой, входной коаксиальный кабель, проложенный по металлической мачте и присоединенный центральным проводником ко второй металлической перемычке, а внешним проводником к металлической мачте с зазором, и противовес в виде стержней, отличающаяся тем, что два одинаковых стержня противовеса расположены параллельно и симметрично относительно металлической мачты в одной плоскости со стержнями излучателя и соединены с ней в верхней части третьей металлической перемычкой, равной по длине первой металлической перемычке, а против зазора между излучателем и третьей металлической перемычкой в плоскости стержней излучателя и противовеса симметрично относительно зазора и металлической мачты установлены на изоляторах два пассивных элемента в виде стержней, длина которых меньше суммарной длины излучателя и противовеса, а расстояние между ними меньше четверти длины минимальной волны рабочего диапазона.
