Антенна

 

Изобретение относится к антенно-фидерным устройствам с симметричным типом возбуждения и может быть использовано преимущественно в качестве антенны вертикальной линейной поляризации с круговой диаграммой направленности (ДН) в горизонтальной плоскости. Техническим результатом является устранение антенного эффекта фидерной линии; обеспечение осевой симметрии диаграммы направленности в Е и Н плоскостях поляризации, ориентация главных максимумов излучения (приема в горизонтальной плоскости); увеличение широкополосности. Антенна содержит, по меньшей мере, два V-образных элемента, каждый из которых выполнен симметричным относительно своей оси и направлен вершиной друг к другу встречно. Каждый из отрезков проводников фидерной линии с одной стороны подсоединен к одному и V-образных элементов в его вершине. Фидерная линия выполнена в виде коаксиала. Введен отрезок фидерной линии; выполненный из двух трубок, диаметром d и расположенных параллельно друг другу с зазором Δ между ними и длиной λ/2, где λ - длина волны, а d < Δ < 3d. Концы двух трубок короткозамкнуты между собой с образованием рамки. В промежутке между короткозамкнутыми концами двух трубок в стенке одной из них выполнено отверстие. Конец коаксиально проложен через место короткого замыкания трубок в полости трубки до отверстия. Наружная оболочка коаксиала подсоединена к трубке на периметре отверстия. Центральный проводник коаксиала выведен из отверстия и подсоединен к стенке другой трубки напротив центра отверстия. V-образные элементы вершинами подсоединены к трубкам рамки в местах подсоединения коаксиала и расположены в параллельных плоскостях. Оси V-образных элементов параллельны между собой и параллельны трубкам. 6 з.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к антенно-фидерным устройствам с симметричным типом возбуждения и может быть использовано преимущественно в качестве антенны линейной вертикальной поляризации с круговой диаграммой направленности (ДН) в горизонтальной плоскости.

В настоящее время в большинстве антенн вертикальной линейной поляризации с круговой ДН в горизонтальной плоскости используется несимметричный тип возбуждения (1).

Ограничениями вибраторных антенн (особенно линейных антенных решеток) вертикальной поляризации с круговой ДН в горизонтальной плоскости (в H-плоскости поляризации), использующих несимметричный тип возбуждения, являются: - антенный эффект фидерной линии; - искажение ДН в вертикальной плоскости; - узкая рабочая полоса частот; - резкая зависимость входного сопротивления от частоты; - резкая зависимость коэффициента усиления от частоты.

Использование же вибраторной антенны с симметричным типом возбуждения для формирования круговой ДН в горизонтальной плоскости до настоящего времени приводило к еще более существенным ограничениям.

Так, известна антенна с симметричным типом возбуждения, содержащая симметричный вибратор, выполненный из двух элементов (плечей), фидерную линию, симметричную и выполненную из двух отрезков проводников, каждый из которых с одной стороны соединен с одним из элементов симметричного вибратора, а с другой стороны предназначен для подсоединения к радиоаппаратуре (приемопередатчику, передатчику или приемнику) (2).

В этом устройстве фидерная линия выполнена из двух участков. Первый из участков выполнен из двух одинаковых трубок, представляющих собой отрезок двухпроводной линии, замкнутой накоротко со стороны, противоположной подключению элементов симметричного вибратора. Второй участок выполнен из коаксиала, проложенного в полости одной из трубок и выведенного наружу в точке короткого замыкания двухпроводной линии для подсоединения к радиоаппаратуре. Противоположный радиоаппаратуре конец коаксиала соединен с разомкнутыми концами двухпроводной линии так, что наружная оболочка коаксиала короткозамкнута с той трубкой, в которой проложен коаксиал, а центральный проводник коаксиала короткозамкнут с концом другой трубки двухпроводной линии.

Каждое плечо симметричного вибратора соединено с одним из разомкнутых концов двухпроводной линии. Точки включения плечей вибратора в линию являются точками его возбуждения (питания). Между этими точками образован зазор Δ ≪ λ, λ - длина волны (излучения/приема). Точка короткого замыкания (КЗ) на двухпроводной линии является точкой нулевого потенциала по отношению к потенциалам в точках возбуждения симметричного вибратора.

В этом техническом решении симметричный вибратор при установке антенного устройства на местности расположен горизонтально и не способен сформировать главные максимумы излучения, совпадающие по направлению с горизонтальной плоскостью.

Преимуществами же этого технического решения являются следующие: - отсутствие антенного эффекта фидера; - симметрия ДН в E и H плоскостях поляризации с получением главных максимумов излучения, направления которых лежат в плоскости, ортогональной оси вибратора; - широкополосность.

При повороте известного антенного устройства в вертикальной плоскости на 90^o так, чтобы ось симметричного вибратора стала ортогональна поверхности Земли, фидерная линия тут же искажает ДН антенны, делая их неравномерными в горизонтальной плоскости и несимметричными в вертикальной.

Происходит это потому, что при указанном повороте коаксиальный участок фидерной линии в месте его ввода в отрезок двухпроводной линии изогнут относительно поверхности Земли и служит рефлектором нижнему плечу вибратора. При этом сам симметричный вибратор (по виду) перестает быть симметричным в электрическом отношении, т.к. смещается точка нулевого потенциала относительно точки короткого замыкания (КЗ) фидерной линии, и устройство приобретает антенный эффект.

Негативные ограничения можно ослабить, изогнув коаксиальный участок фидерной линии на большем расстоянии от оси вибратора и создав консольное соединение фидерной линии коаксиальной линии с двухпроводной. Однако такое консольное соединение приводит к громоздкости и конструктивной непривлекательности антенного устройства.

В результате, при расположении классического симметричного вибратора ортогонально поверхности Земли такое техническое решение теряет многие свои электрические и конструктивные достоинства.

Ближайшим аналогом является антенна, содержащая секцию, выполненную из, по меньшей мере, двух V-образных элементов, каждый из которых расположен симметрично относительно своей оси и направлен вершиной друг к другу встречно, фидерную линию, выполненную из двух отрезков проводников, каждый из которых с одной стороны подсоединен к одному из V-образных элементов в его вершине, а с другой стороны отрезки проводников предназначены для подсоединения к передатчику и/или приемнику (3).

В этом техническом решении использован симметричный тип возбуждения. Все его излучающие V-образные элементы выполнены с нелинейно изменяющимся сопротивлением вдоль длины их концов и с различными импедансными характеристиками от элемента к элементу для обеспечения согласования антенны с фидерной линией и для увеличения широкополосности.

Однако и в ближайшем аналоге, если ось вибратора расположить ортогонально горизонту, сохраняются все описанные выше ограничения, связанные с искажениями ДН за счет антенного эффекта фидерной линии, поскольку фидерная линия окажется изогнутой подобно предыдущему техническому решению.

Решаемая изобретением задача - повышение технико-эксплуатационных характеристик устройства при расположении оси симметричного вибратора ортогонально горизонту.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, - устранение антенного эффекта фидерной линии; обеспечение осевой симметрии ДН в E и H плоскостях поляризации; ориентация главных максимумов излучения/приема в горизонтальной плоскости; увеличение широкополосности.

Поставленная задача решается тем, что в известной антенне, содержащей секцию, выполненную из, по меньшей мере, двух V-образных элементов, каждый из которых расположен симметрично относительно своей оси и направлен вершиной друг к другу встречно, фидерную линию, выполненную из двух отрезков проводников, расположенных параллельно оси фидерной линии и каждый из которых с одной стороны подсоединен к одному из V-образных элементов в его вершине, а с другой стороны отрезки проводников предназначены для подсоединения к передатчику и/или приемнику, согласно изобретению фидерная линия выполнена в виде коаксиала с центральным проводником и наружной оболочкой и введен отрезок фидерной линии, выполненный из двух трубок, диметром d, расположенных параллельно друг другу, с зазором Δ между ними и длиной λ /2, где λ - длина волны, a d < Δ < 3d, концы двух трубок короткозамкнуты между собой с образованием рамки, в промежутке между короткозамкнутыми концами двух трубок в стенке одной из них выполнено отверстие, конец коаксиала проложен через место короткого замыкания трубок в полости трубки до отверстия, наружная оболочка коаксиала подсоединена к трубке на периметре отверстия, а центральный проводник коаксиала выведен из отверстия и подсоединен к стенке другой трубки напротив центра отверстия, V-образные элементы вершинами подсоединены к трубкам рамки в местах подсоединения коаксиала и расположены в параллельных плоскостях, а оси V-образных элементов параллельны между собой и параллельны трубкам.

Возможны дополнительные варианты выполнения антенны, в которых целесообразно, чтобы: - отверстие было выполнено на расстоянии λ/4 от места короткого замыкания трубок;
- плоскости расположения V-образных элементов были параллельны между собой и ортогональны плоскости рамки;
- были введены распределительная коробка, распределительные отрезки фидерных линий и, по меньшей мере, одна дополнительная секция, выполненная одинаково с упомянутой секцией, рамка дополнительной секции была соосно соединена с рамкой упомянутой секции, а V-образные элементы дополнительной секции и упомянутой секции были подсоединены синфазно к распределительным отрезками фидерной линии;
- были введены, по меньшей мере, одна дополнительная фидерная линия и, по меньшей мере, одна дополнительная секция, выполненная подобно упомянутой секции с иными размерами, рамка дополнительной секции была соосно соединена с рамкой упомянутой секции, а V-образные элементы упомянутой секции и дополнительной секции были бы подсоединены к фидерной линии и дополнительной фидерной линии соответственно.

Для последних двух дополнительных вариантов целесообразно, чтобы плоскости рамок были взаимно ортогональны.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются лучшими вариантами его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.

Фиг. 1 изображает антенну (схематично), одну секцию;
фиг. 2 - то же, что фиг. 1, вид спереди;
фиг. 3 - то же, что фиг. 1, вид сбоку;
фиг. 4 - линейную антенную решетку (схематично), выполненную из одинаковых секций антенн на фиг. 1;
фиг. 5 - линейную антенную решетку (схематично), выполненную из секций антенн на фиг. 1, подобных друг другу, но с различными размерами каждой секции.

Антенна (фиг. 1) имеет два V-образных элемента 1, 2, каждый из которых расположен симметрично относительно своей оси и направлен вершиной друг к другу встречно. V-образные элементы 1, 2 служат в антенно-фидерном устройстве для образования симметричного вибратора линейной поляризации. Фидерная линия 3 выполнена из двух отрезков проводников 4, 5, каждый из которых с одной стороны подсоединен к одному из V-образных элементов 1, 2 в его вершине, а с другой стороны отрезки проводников 4, 5 предназначены для подсоединения к радиоаппаратуре 6 (приемопередатчику, или передатчику, или приемнику).

Фидерная линия 3 выполнена в виде коаксиала из центрального проводника 4 и наружной оболочки 5, функционально соответствующих двум отрезкам проводников 4, 5 ближайшего аналога. Введен отрезок 7 фидерной линии, выполненный из двух трубок 8, 9, диметром d. Трубки 8, 9 расположены параллельно друг другу, с зазором Δ между ними и выполнены длиной λ/2, где λ - рабочая длина волны, a d < Δ < 3d. Зазору Δ < d не технологичен, а при зазоре Δ > 3d ухудшаются электрические характеристики.

Концы двух трубок 8, 9 короткозамкнуты между собой с образованием рамки с осью O₁-O₂. В промежутке между короткозамкнутыми концами двух трубок 8, 9 в стенке одной из них, например в трубке 8, выполнено отверстие 10. Конец коаксиала фидерной линии 3 проложен через место О₁ короткого замыкания трубок 8 и 9, например в полости трубки 8 до отверстия 10. Наружная оболочка 5 коаксиала подсоединена к трубке 8 на периметре отверстия 10 (точка b). Центральный проводник 4 коаксиала фидерной линии 3 выведен из отверстия 10 и подсоединен к стенке другой трубки 9 напротив центра отверстия 10 (точка а).

V-образные элементы 1, 2 вершинами подсоединены к трубкам 8, 9 рамки в местах подсоединения коаксиала (точки a, b). V-образные элементы 1, 2 расположены в параллельных плоскостях. Причем V-образные элементы 1, 2 могут быть подсоединены к рамке снаружи или изнутри, что непринципиально. Оси V-образных элементов 1, 2 параллельны между собой и параллельны трубкам 8, 9.

На фиг. 1 также показана прямоугольная система координат X, Y, Z с началом в точке О. Плоскость рамки ориентирована в плоскости ZOY, плоскости расположения V-образных элементов 1, 2 параллельны плоскости ZOX, ось O₁-O₂ рамки совмещена с осью Z.

Фидерная линия 3 может быть расположена соосно оси O₁-O₂ рамки (фиг. 1-5) так, чтобы антенно-фидерное устройство было ориентировано вертикально по отношению к плоскости Земли.

Для дополнительного улучшения приемоизлучающих характеристик вибратора линейной поляризации V-образные элементы 1, 2 (фиг. 1) могут быть расположены в параллельных плоскостях, ортогональных плоскости рамки. Оси V-образных элементов параллельны между собой и параллельны оси O₁-O₂ рамки (параллельны трубкам 8,9).

Точки a, b являются точками ввода ЭДС возбуждения плечей симметричного вибратора, образованного V-образными элементами 1, 2, согласно вышеописанному, а точки, O₁ и O₂ являются точками нулевого потенциала по отношению к потенциалам в точках a, b. Точки нулевого потенциала характерны тем, что к ним можно подключать любые проводники без опасения возникновения на них токов возбуждения от приложенной ЭДС.

Предпочтительные пределы изменения размеров антенны (фиг. 1) следующие: длина l конца V-образного элемента 1 и/или 2 - λ/4 ≤ l ≤ λ/2; место подсоединения коаксиала к трубкам 8, 9 (точки a, b) от точки О₁ нулевого потенциала S ≈ λ/4; длина L трубок - L≈ λ/2; угол α между концами V-образного элемента 1 или 2 - 50^o≤ α ≤ 90^o. Путем изменения размеров антенны формируют заданные технико-эксплуатационные характеристики антенно-фидерного устройства в целом.

На фиг. 2, 3 для упрощения показана рамка 11, а также изображена поверхность 12 Земли, металлическая опора 13 и секция 14 (показана пунктиром). Симметричный вибратор может быть закреплен на высоте H в нижней точке O₁ нулевого потенциала без изменения своих характеристик. На фиг. 3 для примера показано, что вершины V-образных элементов 1 и 2 могут быть расположены внутри рамки 11 практически вплоть до совмещения осей V-образных элементов 1 и 2 с осью O₁-O₂ рамки 11 при сохранении зазора Δ. Рамка 11 с V-образными элементами 1 и 2 образует секцию 14.

Антенна (фиг. 4, 5) может быть выполнена в виде линейной антенной решетки, составленной из секций (фиг. 2, 3).

В одном дополнительном варианте в антенну (фиг. 4) введены распределительная коробка, распределительные отрезки фидерных линий и, по меньшей мере, одна дополнительная секция 15, выполненная одинаковой с упомянутой секцией 14. Рамка 11 дополнительной секции 15 подсоединена соосно к рамке 11 упомянутой секции 14 в точках O₁ и O₂ нулевого потенциала соответственно. V-образные элементы 1, 2 дополнительной секции 15 и упомянутой секции 14 подсоединены синфазно к распределительным отрезками фидерной линии. Распределительная коробка и распределительные отрезки фидерных линий для простоты на фиг. 4 не показаны и могут быть подключены известным образом (4). Для улучшения механической прочности и симметричности всей конструкции плоскости рамок 11 для каждой секции 14 и 15 могут быть расположены взаимно ортогонально.

В то же время для обеспечения работоспособности конструкции и достижения указанного технического результата угловое расположение рамок 11 относительно друг друга не является принципиальным, поскольку рамки 11 каждой секции 14 и 15 соосно соединены друг с другом в точках О₁ и O₂ нулевого потенциала. Плоскости расположения самих рамок 11 как неизлучающих элементов могут быть ориентированы в различных направлениях или одном направлении. Питание всех секций 14, 15 линейной антенной решетки взаимозависимое, например синфазное. Общая длина такой антенны L^*≈(L+ δ)n, где δ - величина удлинения рамки 11, которая предусматривает формирование ДН линейной синфазной антенной решетки с заданным уровнем боковых лепестков, а n - общее число секции.

В другом дополнительном варианте в антенну (фиг. 5) введены, по меньшей мере, одна дополнительная фидерная линия 16 и, по меньшей мере, одна дополнительная секция 17, выполненная подобно упомянутой секции 14, но с иными размерами. Рамка 11 дополнительной секции 17 подсоединена соосно к рамке 11 упомянутой секции 14. V-образные элементы 1, 2 упомянутой секции 14 и дополнительной секции 17 подсоединены к фидерной линии 3 и дополнительной фидерной линии 16 соответственно.

В этом техническом решении n подобных секций 14 и 17 соосно соединены друг с другом своими рамками 11 в точках О₁ и O₂ нулевого потенциала, при этом так же, как в предыдущем устройстве, не имеет значения, как ориентированы плоскости рамок 11 для каждой секции 14, 17 по отношении друг к другу. Питание секции 14 и 17 в этой антенне осуществлено независимым образом друг от друга за счет введения для каждой дополнительной секции 17 дополнительной фидерной линии 16. V-образные элементы 1, 2 дополнительной секции 17 запитываются дополнительной фидерной линией 16 аналогично описанному (фиг. 2, 3). Фидерная линия 3 и дополнительные фидерные линии 16 имеют свой коаксиал, проложенный через точки О₁ и O₂ нулевого потенциала и через трубки рамок 11 нижерасположенной секции 14 и вышерасположенных дополнительных секций 17. Общая длина L^* такой линейной антенной решетки определяется суммой длин Li, входящих в ее состав секции 14 и дополнительных секций 17.

где i - индекс текущей секции, а n - общее количество секций.

Работает антенна (фиг. 1, 2, 3) следующим образом.

Под воздействием ЭДС, приложенной к точкам a, b рамки, возникают токи на трубках 8, 9. Токи имеют встречное направление по периметру рамки, и поэтому сама рамка не излучает и не принимает электромагнитные волны. Антенный эффект фидерной линии 3 также отсутствует, так как коаксиал проложен внутри трубки 8 или 9 рамки через точку О₁ ее нулевого потенциала. V-образные элементы 1, 2 созданного симметричного вибратора от приложенной ЭДС получают симметричный тип возбуждения, что в совокупности с вышеизложенным обеспечивает полную осевую симметрию ДН в E и H плоскостях поляризации с получением главных максимумов излучения, совпадающих по направлению с горизонтальной плоскостью. При этом достигается широкополосность устройства, присущая классическому симметричному вибратору.

Антенна (фиг. 4) работает аналогично (фиг. 1-3) с учетом улучшения технико-эксплуатационных параметров, свойственных линейным антенным решеткам, при этом все ее секции 14, 15 имеют синфазный тип питания. При реализации этой конструкции корреспонденты, размещенные в различных пунктах по различным азимутам, имеют равновероятные условия приема/передачи.

Антенна (фиг. 5) позволяет размещать на одной и той же металлической опоре 13 несколько дополнительных секций 17 с секцией 14, каждая из которых может принимать/передавать сигналы для решения различных технических задач в разных диапазонах волн. При этом возможно размещение в одном каком-либо из зданий такой радиоаппаратуры 6, которая способна выполнять специально предусмотренные самостоятельные функции. Это техническое решение позволяет снизить затраты на построение дорогостоящих сооружений (технических зданий, опор) тем, что позволяет эксплуатировать одну и ту же антенну для решения целого ряда независимых задач. В настоящее время на практике такая многоцелевая возможность решения различных задач не может быть осуществлена другими типами антенн. Так, если на вершине металлической опоры 13 уже стоит одна базовая антенна с круговой ДН в горизонтальной плоскости, то исключается возможность установки на этой металлической опоре 13 другой базовой антенны, которая также обеспечивает возможность формирования круговой ДН в горизонтальной плоскости. Поэтому многие службы, которые используют радиосвязь по способу "связь в сети", например гражданская оборона (ГО), пожарные, ГИБДД, скорая помощь, инкассация, такси, силовые структуры, МЧС и т.д., тратят много лишних средств на изготовление собственных различных антенн. Возможна же замена нескольких таких антенн одной (фиг. 5), составленной из нескольких дополнительных секций 17 и которая обеспечивает равновероятные условия передачи/приема своим корреспондентам, находящимся в различных пунктах по различным азимутам относительно базовой радиостанции.

Антенна (фиг. 5) может быть использована и как передающая TV антенна. В большинстве случаев телевидение применяет передающие антенны горизонтальной поляризации с круговой ДН в горизонтальной плоскости. Это результат отсутствия до настоящего времени антенн вертикальной поляризации с удовлетворительными технико-эксплуатационными характеристиками. Заявленное техническое решение позволяет решить и такую задачу (фиг. 1-5).

В то же время заявленное техническое решение не исключает использование различных дополнительных технических средств, известных и очевидных специалистам из существующего уровня техники и которые технически легко совместимы с предложенной конструкцией.

Наиболее успешно заявленная антенна промышленно применима при организации радиосвязи по методу "связь в сети" преимущественно в качестве антенны вертикальной поляризации с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости, чтобы корреспонденты, размещенные в различных пунктах по различным азимутам, имели равновероятные условия приема-передачи.

Источники информации:
1. Г.Т. Марков, Д.М. Сазонов. "Антенны". Глава 9. Москва. 1975 г.

2. Ю.К. Муравьев. "Антенные устройства для радиосвязи". Ленинград. 1973 г., стр. 304, рис. 14.1.13(а).

3. Патент США N 5644321, H 01 Q 9/44, фиг. 6, опубл. 01.01.97.

4. К.П. Харченко, Е.М. Нарышкин. Волновая служба и антенные устройства. Часть 2. "Антенные устройства". Учебник. Москва, 1982 г., стр. 105, 106, рис. 3.37 и 3.38.

Формула изобретения

1. Антенна, содержащая секцию, выполненную из, по меньшей мере, двух V-образных элементов, каждый из которых выполнен симметричным относительно своей оси и направлен вершиной друг к другу встречно, фидерную линию, выполненную из двух отрезков проводников, каждый из которых с одной стороны подсоединен к одному из V-образных элементов в его вершине, а с другой стороны отрезки проводников предназначены для подсоединения к передатчику и/или приемнику, отличающаяся тем, что фидерная линия выполнена в виде коаксиала с центральным проводником и наружной оболочкой, и введен отрезок фидерной линии; выполненный из двух трубок, диаметром d и расположенных параллельно друг другу с зазором Δ между ними и длиной λ/2, где λ - длина волны, a d<Δ<3d, концы двух трубок короткозамкнуты между собой с образованием рамки, в промежутке между короткозамкнутыми концами двух трубок в стенке одной из них выполнено отверстие, конец коаксиала проложен через место короткого замыкания трубок в полости трубки до отверстия, наружная оболочка коаксиала подсоединена к трубке на периметре отверстия, а центральный проводник коаксиала выведен из отверстия и подсоединен к стенке другой трубки напротив центра отверстия, V-образные элементы вершинами подсоединены к трубкам рамки в местах подсоединения коаксиала и расположены в параллельных плоскостях, а оси V-образных элементов параллельны между собой и параллельны трубкам.

2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что отверстие выполнено на расстоянии λ/4 от места короткого замыкания трубок.

3. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что V-образные элементы расположены в параллельных плоскостях, ортогональных плоскости рамки.

4. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что введены распределительная коробка, распределительные отрезки фидерных линий и, по меньшей мере, одна дополнительная секция, выполненная одинаково с упомянутой секцией, рамка дополнительной секции соосно соединена с рамкой упомянутой секции, а V-образные элементы дополнительной секции и упомянутой секции подсоединены синфазно к распределительным отрезкам фидерной линии.

5. Антенна по п.4, отличающаяся тем, что плоскости рамок взаимно ортогональны.

6. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что введены, по меньшей мере, одна дополнительная фидерная линия и, по меньшей мере, одна дополнительная секция, выполненная подобно упомянутой секции с иными размерами, рамка дополнительной секции соосно соединена с рамкой упомянутой секции, а V-образные элементы упомянутой секции и дополнительной секции подсоединены к фидерной линии и дополнительной фидерной линии, соответственно.

7. Антенна по п.6, отличающаяся тем, что плоскости рамок взаимно ортогональны.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5