Приемная антенна бегущей волны

 

Изобретение относится к радиотехнике в частности к антенной технике стационарных радиоцентров. Техническим результатом является разработка антенны бегущей волны (АБВ) с собирательной линией (СЛ), обеспечивающей сдвоенный прием по поляризации при одновременном снижении габаритов конструкции. Антенна содержит решетку вибраторов 1, подключенных к СЛ 3, нагруженной на согласованный резистор. Вибраторы изогнуты под углом 2α в горизонтальной, вертикальной или наклонной плоскостях. Симметрично относительно оси СЛ 3 по поверхности цилиндра с радиусом основания r размещены дополнительные проводники 6. Одни концы проводников 6 через дополнительный резистор подключены к средней точке согласованного резистора, а другие - к несимметричному входу развязывающего устройства (РУ) 5. К симметричному входу РУ 5 подключена СЛ 3, а к его выходам - фидеры 8 и 9. Выбором соотношений размеров элементов конструкции АБВ достигается равенство ее параметров по ортогональным составляющим принимаемой электромагнитной волны. 3 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антенной технике, и, в частности, заявляемая антенна бегущей волны (АБВ) может использоваться в качестве приемной антенны с разнесением по поляризации на стационарных радиоцентрах.

Известны приемные АБВ с разнесением по поляризации для стационарных радиоцентров (научно-технический сборник 70 лет радио/ Под ред. Фортушенко А. Д. - М. : Связь, 1965, с. 65 - 68, рис. 6, 7). Известные аналоги для обеспечения приема электромагнитных волн с разносом по поляризации образуют систему из двух АБВ, одна из которых является горизонтальной симметричной, а вторая - вертикальной несимметричной (рис. 6). Обе антенны закреплены на общих опорах. В другом варианте (рис. 7) система включает две несимметричные АБВ, полотна которых взаимно перпендикулярны и наклонены по отношению к поверхности земли на 45^o.

Однако известные аналоги имеют недостатки, а именно невысокую эффективность в условиях поляризационных замираний, обусловленную несовпадением углов возвышения максимумов диаграмм направленности (ДН) по вертикальной и горизонтальной компонентам принимаемого электромагнитного поля (ЭМП). Кроме того, конструкции аналогов громоздки.

Наиболее близкой по своей технической сущности к заявленной является известная приемная АБВ с разнесением по поляризации (Сычев Б.В., Доценко Н.Е. КВ радиосвязь на железнодорожном транспорте. - М.: Транспорт, 1986, с. 53, рис. 2.30). Устройство-прототип состоит из двух несимметричных АБВ. В свою очередь каждая несимметричная АБВ состоит из собирательной линии в виде воздушного коаксиального фидера, нагруженного на согласованный резистор. Второй конец воздушного коаксиального фидера подключен к фидеру от нагрузки. К собирательной линии через развязывающие сопротивления подключены вибраторы. Оси вибраторов ориентированы под углом 80^o к оси собирательной линии, которая установлена под углом 10^o к направлению на корреспондента. Несимметричные АБВ установлены зеркально относительно направления на корреспондента, а их вибраторы наклонены к поверхности земли.

При такой схеме оказывается возможным частично устранить несовпадение ориентации максимумов ДН для вертикально и горизонтально поляризованных компонент ЭМП, обусловленное различием зависимостей коэффициентов Френеля от угла возвышения для вертикально и горизонтально поляризованных волн.

Однако известная антенна имеет недостатки. Конструкция антенны громоздка и требует для размещения большой площади. Отличие качества согласования антенны при приеме сигналов с вертикальной и горизонтальной поляризацией соответственно приводит к снижению эффективности (КПД) антенны в целом.

Целью изобретения является разработка приемной АБВ с разнесением по поляризации, обеспечивающей равенство параметров по ортогональным компонентам принимаемого ЭМП и одновременно требующей меньшей площади для ее развертывания.

Цель достигается тем, что в известной приемной АБВ, содержащей решетку вибраторов, попарно установленных под углом друг к другу и подключенных через развязывающие сопротивления к собирательной линии, нагруженной на согласованный резистор, и два фидера, собирательная линия выполнена симметричной и установлена горизонтально относительно поверхности земли. Параллельно собирательной линии и симметрично относительно ее продольной оси установлены дополнительные проводники. Первые концы всех дополнительных проводников через дополнительный резистор подключены к средней точке согласованного резистора, а вторые - объединены и подключены к несимметричному входу введенного развязывающего устройства. К симметричному входу развязывающего устройства подключена собирательная линия, К первому и второму выходам развязывающего устройства подключены соответственно первый и второй фидеры.

Пары вибраторов, подключенные в одном сечении собирательной линии к ее противолежащим проводникам, наклонены друг к другу. Плоскость, в которой изогнуты вибраторы, может быть горизонтальной, вертикальной или перпендикулярной направлению прихода волны. Соответственно угол изгиба вибраторов при их расположении в горизонтальной 2α_г , вертикальной 2α_в или наклонной 2α_н плоскостях выбирают из условий: ; ; , где ρ_г и ρ_в - волновые сопротивления собирательной линии при возбуждении в ее проводах соответственно противофазных и синфазных волн тока; Θ_м - угол прихода волны.

Количество дополнительных проводников выбирают в пределах 4 - 8 шт.

В качестве развязывающего устройства может использоваться дифференциальный трансформатор со средней точкой.

Перечисленная совокупность существенных признаков обуславливает при компактности конструкции достижение равенства всех параметров антенны как по вертикально так и горизонтально поляризованной компонентам принимаемого ЭМП.

На фиг. 1 показана общая схема антенны; на фиг. 2, 3 поясняется конструкция антенны; на фиг. 4 поясняется принцип работы антенны.

Приемная АБВ (фиг. 1) состоит из решетки изогнутых под углом 2α друг к другу вибраторов 1 длиной l, подключенных через развязывающие сопротивления Z_p 2 к симметричной собирательной линии (СЛ) 3 длиной L. Примыкающие друг к другу пары вибраторов разнесены вдоль СЛ 3 на расстояние "B". В общем случае Z_p может быть комплексным. СЛ 3 на одном конце нагружена на согласованный резистор R_н 4. Второй конец СЛ 3 подключен к симметричному входу (вход "а-а") развязывающего устройства (РУ) 5.

Симметрично относительно оси собирательной линии и параллельно ей на поверхности воображаемого цилиндра с радиусом основания r расположены проводники 6. Длины проводников 6 и собирательной линии 3 одинаковы. Концы проводников 6 со стороны согласованного резистора R_н 4 соединены друг с другом и подключены через дополнительный резистор R_д 7 к средней точке согласованного резистора R_н 4. Концы проводников 6 со стороны РУ 5 также соединены друг с другом и подключены к несимметричному входу (вход "б") РУ 5. К выходам ("с" и "с'") РУ 5 подключены соответственно первый 8 и второй 9 фидеры.

Вибраторы могут быть изогнуты в горизонтальной плоскости (фиг. 2а), в вертикальной плоскости (фиг. 2б) или наклонной плоскости, перпендикулярной к направлению прихода волны (фиг. 2в). Угол прихода волны Θ_м определяется между горизонтальной плоскостью и направлением прихода волны (фиг. 2в).

Вариант установки полотна антенны при изгибе вибраторов в горизонтальной плоскости показан на фиг. 3.

Схема развязывающего устройства 5 представляет собой дифференциальный трансформатор со средней точкой и состоит из двух пар электромагнитно связанных обмоток. Обмотка 5.1 первой пары подключена к симметричному входу "a-a" РУ 5, а электромагнитно связанная с ней обмотка 5.2 подключена к коаксиальному фидеру 8 (выход "c'" ).

Заявленное устройство работает следующим образом.

Отраженная от ионосферы волна с вращающейся поляризацией в общем случае имеет горизонтальную E_г и вертикальную E_в составляющие, каждая из которых наводит в вибраторах соответствующую ЭДС. На фиг. 4 показано направление наведенных токов в вибраторах горизонтальной E_г составляющей волны (сплошные стрелки) и вертикальной E_в (пунктирные стрелки). Под действием E_г в проводах СЛ 3 будут возбуждаться противофазные токи I_г, которые, протекая через обмотку 5.1 РУ 5, связанную с ней обмотку 5.2 и фидер 8, выделяются в нагрузке (радиоприемнике) - выход горизонтально поляризованной (ГП) составляющей ЭМП.

Аналогично токи I_в, наведенные E_в, возбуждают синфазные токи в проводах собирательной линии (пунктирные стрелки). Эти токи направлены встречно в соответствующих половинах обмотки 5.1, далее протекая по обмотке 5.3, связанную с ней обмотку 5.4 и фидер 9, выделяются в нагрузке - выход вертикально поляризованной (ВП) составляющей ЭМП.

Токи, обусловленные E_в, в обмотке 5.3 далее протекают по проводам 6 и поглощаются в нагрузке. Также в нагрузке поглощаются токи, возбужденные E_r и протекающие от точек подключения вибраторов в сторону нагрузки. Этим обусловливается формирование однонаправленной ДН с максимумом, ориентированным в направлении прихода волны.

Равные условия согласования антенны по обоим выходам достигаются подбором волновых сопротивлений ρ_г и ρ_в - соответственно при возбуждении собирательной линии противофазными и синфазными токами.

Величины ρ_г и ρ_в зависят от геометрии собирательной линии: диаметра ее проводников, расстояния между ними d, числа дополнительных проводников и радиуса r и могут быть вычислены по известным соотношением (Иоссель Ю.Я. и др. Расчет электрической емкости. - Л.: Энергоиздат, 1981, с. 133 - 134, 229).

Достижение равенства коэффициента усиления (КУ) АБВ G_г и G_в соответственно по горизонтальной E_г и вертикальной E_в составляющим ЭМП приходящей волны обеспечивается выбором угла изгиба вибраторов 2α. . Возможность выполнения такого условия объясняется следующим. Известно, что действующая длина l_д АБВ пропорциональна действующей длине одного вибратора. В свою очередь КУ антенны пропорционален отношению квадрата действующей длины и активной составляющей входного сопротивления, т.е. отношению l²_д/R_A. . У АБВ входное сопротивление активно и равно волновому сопротивлению собирательной линии ρ , т.е. R_A = ρ . В режиме приема l_д= ε_A/E, где ε_A - ЭДС, наведенная в антенне сигналом с напряженностью электрического поля E. Действующие длины вибратора по горизонтальной l_дг и вертикальной l_дв составляющим будут пропорциональны соответственно величинам E_г и E_в. Таким образом, равенство G_г и G_в будет реализовано, если выполнить условие l²_дг/ρ_г= l²_дв/ρ_в, (1) , здесь ρ_г и ρ_в - волновое сопротивление собирательной линии при противофазном и синфазном ее возбуждении.

Если вибраторы изогнуты в горизонтальной плоскости под углом 2α_г , а волна приходит под углом Θ_м , условие (1) будет иметь вид: .

Аналогичные рассуждения показывают, что равенство G_г и G_в при изгибе вибраторов в вертикальной плоскости 2α_в достигается при выполнении условия
.

При изгибе вибраторов под углом 2α_н в наклонной плоскости, перпендикулярной направлению прихода сигнала,
.

Так как ДН собственно вибратора в плоскостях "E" и "H" различны, то возможность выравнивания G_г и G_в АБВ в целом достигается указанным интервалом множителя (0,5...0,7) в приведенных формулах.

Вибраторы изгибают в горизонтальной плоскости при использовании АБВ на относительно коротких трассах (до 800 км), в вертикальной - на трассах средней протяженности (до 1500 км), в наклонной - на трассах большой протяженности.

Геометрические размеры элементов конструкции заявленной АБВ выбираются по известным правилам (Айзенберг Г.З. и др. Коротковолновые антенны. - М.: Радио и связь, 1985, с. 317 - 333; Серков В.П. Распространение радиоволн и антенные устройства. - Л., ВАС, 1981, с. 330) и зависят от диапазона частот и протяженности трассы, в которых планируется использование антенны.

Так, заявленная антенна, предназначенная для работы на коротких трассах (до 800 км, Θ_м ≈45^o; λ_min = 15 м), будет иметь следующие размеры: L = 90 м; B = 4,5; N = 21; l = 10 м; R_н = 160 Ом; R_д = 10 Ом; Z_p = R_p = 200 Ом; H = 11 м; d = 35 мм; r = 100 мм; 2α_г = 85^o, число дополнительных проводников - 6 шт.

При необходимости работы на трассах средней протяженности (до 1500 км, Θ_м ≈ 25^o, λ_min = 12 м) целесообразно вибраторы изогнуть в вертикальной плоскости, а размеры антенны при этом будут иметь следующие значения: L = 70 м; B = 3,5; N = 21; l = 8 м; R_н = 160 Ом; R_д = 10 Ом; Z_р = R_р = 200 Ом; H = 17 м; d = 35 мм; r = 100 мм; 2α_г = 90^o, число дополнительных проводников - 6 шт.

При использовании антенны на трассах большой протяженности (свыше 1500 км) вибраторы целесообразно изогнуть в наклонной плоскости, перпендикулярной углу прихода волны ( Θ_м ≈ 15^o, λ_min/ = 10 м). В этом случае размеры антенны будут следующие: L = 70 м; B = 3; N = 24; l = 7 м; R_н = 160 Ом; R_д = 10 Ом; Z_p = R_p = 200 Ом; H = 25 м; d = 35 мм; r = 100 мм; 2α_г = 100^o, число дополнительных проводников - 6 шт.

В качестве развязывающего устройства может быть использован любой выпускаемый промышленностью дифференциальный трансформатор со средней точкой, сопротивления входов и выходов которого согласованы с волновыми сопротивлениями подключаемых к нему фидеров и линий. В частности, выходы должны быть согласованы с фидером, имеющим ρ = 75 Ом. Симметричный вход 160 Ом, несимметричный вход - 50 Ом.

Использование заявленной АБВ обеспечивает более устойчивую работу радиолинии в условиях поляризационных замираний сигнала благодаря практически полной идентичности ее параметров по ортогональным составляющим принимаемого ЭМП.

Формула изобретения

1. Приемная антенна бегущей волны, содержащая решетку вибраторов, попарно установленных под углом друг к другу и подключенных через развязывающие сопротивления к собирательной линии, нагруженной на согласованный резистор, и два фидера, отличающаяся тем, что собирательная линия выполнена симметричной и установлена горизонтально, параллельно и симметрично относительно продольной оси собирательной линии установлены дополнительные проводники, первые концы которых через дополнительный резистор подключены к средней точке согласованного резистора, а вторые объединены и подключены к несимметричному входу введенного развязывающего устройства, к симметричному входу которого подключена собирательная линия, причем к первому и второму выходам развязывающего устройства подключены соответственно первый и второй фидеры.

2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что вибраторы попарно установлены под углом друг к другу 2α_г в горизонтальной или под углом 2α_в в вертикальной плоскостях, причем углы α_г и α_в выбраны из условий


где ρ_г и ρ_в - - волновые сопротивления собирательной линии при возбуждении в ней соответственно противофазной и синфазной волн тока;
Θ_м - угол прихода волны.

3. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что вибраторы попарно установлены под углом 2α_н друг к другу в наклонной плоскости, перпендикулярной направлению прихода волны, причем угол α_н выбран из условия

где ρ_г и ρ_в - волновые сопротивления собирательной линии при возбуждении в ней соответственно противофазной и синфазной волны тока.

4. Антенна по любому из пп.1 - 3, отличающаяся тем, что число дополнительных проводников выбрано в интервале 4 - 6, а развязывающее устройство выполнено в виде дифференциального трансформатора со средней точкой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4