Направленная универсальная поляризационная зигзагообразная антенна
Владельцы патента RU 2474017:
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Мурманский государственный технический университет" (ФГОУВПО "МГТУ") (RU)
Изобретение относится к области радиотехники. Техническим результатом является повышение компактности, односторонней направленности антенны с увеличением коэффициента усиления. Антенна содержит активный вибратор и рефлектор. Активный вибратор и рефлектор расположены в параллельных плоскостях. Рефлектор и активный вибратор находятся друг от друга на расстоянии λ/8-λ/20 средней длины волны рабочего диапазона. Активный вибратор состоит из четырех одинаковых незамкнутых витков. Витки расположены в одной плоскости. Витки имеют по 2 стороны и одному основанию. Незамкнутые концы витков повернуты к центру антенны и являются клеммами. К клеммам крест-накрест подключены источники питания. Активный вибратор и рефлектор соединены друг с другом с помощью проводников. Каждый проводник одним концом укреплен на середине основания незамкнутого витка, а другим соединен с центром рефлектора. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в мобильных и спутниковых радиосистемах в метровом - сантиметровом диапазонах длин волн, где необходимо такое качество, как невыступаемость или минимальная выступаемость над поверхностью объекта.
Известна универсальная поляризационная зигзагообразная антенна (Пат. РФ №2399126, опубл. 10.09.2010), содержащая четыре одинаковых и расположенных в одной плоскости незамкнутых витка, незамкнутые концы которых повернуты к центру антенны и являются клеммами, к которым крест-накрест подключены источники питания, при этом каждый виток повернут на 90 градусов относительно соседнего витка и выполнен в форме равнобедренного треугольника, основания которого образуют квадрат. Антенна обеспечивает работу с круговой и линейными поляризациями (горизонтальной и вертикальной), а также оперативное изменение поляризации. Данная антенна наиболее близка к предлагаемой и принята за прототип. Недостаток ее заключается в следующем.
Антенна имеет жесткую квадратную конструкцию, что создает большие сложности с ее встраиваемостью в антенные системы. Кроме того, антенна-прототип имеет двустороннюю направленность и не обладает компактностью, что не позволяет ее использовать в таких устройствах, как морские плавающие буи, системы приема спутниковой навигационной информации, где требуется минимальный выступ антенны над поверхностью объекта, где используется антенна.
Задачей изобретения является создание компактной, мало выступающей над поверхностью используемого объекта и легко встраиваемой универсальной поляризационной антенны с односторонней направленностью.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении компактности, обеспечении легкой встраиваемости в антенные системы и односторонней направленности универсальной поляризационной антенны с увеличением коэффициента усиления.
Для достижения указанного технического результата в направленной универсальной поляризационной зигзагообразной антенне, содержащей активный вибратор, состоящий из четырех одинаковых незамкнутых витков, расположенных в одной плоскости и имеющих по одному основанию и две боковые стороны, каждая из которых является общей для двух соседних, незамкнутые концы витков повернуты к центру антенны и являются клеммами, к которым крест-накрест подключены источники питания, дополнительно введены проводники и установлен рефлектор в плоскости, параллельной плоскости активного вибратора, на расстоянии λ/8-λ/20 средней длины волны рабочего диапазона, каждый проводник одним концом укреплен на середине основания незамкнутого витка, а другим концом соединен с центром рефлектора. Кроме того, середины оснований незамкнутых витков являются точками нулевого потенциала, каждый незамкнутый виток повернут на 90° относительно соседнего витка, основания незамкнутых витков выполнены таким образом, что образуют геометрическую фигуру, которой может быть окружность или многоугольник. Рефлектор выполнен в виде перекрещивающихся под прямым углом проводников, длина которых больше λ/2 минимальной длины волны рабочего диапазона.
Отличительными признаками предлагаемой антенны от указанной выше известной, наиболее близкой к ней, являются наличие дополнительно введенных проводников и установка рефлектора в плоскости, параллельной плоскости активного вибратора, на расстоянии λ/8-λ/20 средней длины волны рабочего диапазона, причем каждый проводник одним концом укреплен на середине основания незамкнутого витка, а другим концом соединен с центром рефлектора.
Благодаря наличию этих признаков достигается компактность антенны за счет существенного уменьшения расстояния между рефлектором и полотном активного вибратора до λ/8-λ/20 средней длины волны рабочего диапазона, а уменьшение расстояния между рефлектором и активным вибратором достигается за счет дополнительного введения проводников, каждый из которых одним концом укреплен на середине основания незамкнутого витка, а другим концом соединен с центром рефлектора. Существенное уменьшение расстояния между рефлектором и активным вибратором позволяет антенне минимально выступать над поверхностью используемого объекта, например морского буя. Кроме того, эти проводники дополнительно усиливают направленность антенны благодаря тому, что тормозят поступление волн от активного вибратора к рефлектору. Наличие этих проводников также обеспечивает легкую встраиваемость антенны в антенные системы, т.к. они обеспечивают не только электрический контакт с рефлектором, но и механическое крепление активного вибратора с рефлектором, а это ведет к повышению конструктивной надежности антенны в целом.
Предлагаемая направленная универсальная поляризационная зигзагообразная антенна иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-4.
На фиг.1 схематично показана антенна, вид спереди, на фиг.2 - то же, вид сверху, на фиг.3 приведена диаграмма направленности антенны в горизонтальной плоскости, на фиг.4 - диаграмма направленности в вертикальной плоскости.
Антенна (фиг.1) содержит активный вибратор 1 и рефлектор 2. Активный вибратор 1 и рефлектор 2 расположены параллельно друг другу на расстоянии λ/8-λ/20 средней длины волны. Активный вибратор 1 (фиг.2) состоит из четырех одинаковых незамкнутых витков 3, 4, 5, 6, каждый из которых повернут относительно соседнего на 90°. Витки 3, 4, 5, 6 расположены в одной плоскости и своими незамкнутыми концами 7, 8, 9, 10 повернуты к центру антенны. Незамкнутые концы 7, 8, 9, 10 являются клеммами, к ним крест-накрест подключены два источника питания (на фиг.2 не показаны). Каждый незамкнутый виток 3, 4, 5, 6 имеет по одному основанию соответственно 11, 12, 13, 14 и две боковые стороны 15, 16, 17, 18, каждая из которых является общей для двух соседних, например боковая сторона 15 является общей для витков 3 и 6. Основания 11, 12, 13, 14 витков 3, 4, 5, 6 выполнены таким образом, что образуют геометрическую фигуру, которой может быть окружность, как изображено на фиг.2, или многоугольник. Между активным вибратором 1 и рефлектором 2 (фиг.1, 2) дополнительно введены проводники 19, 20, 21, 22. Каждый проводник 19, 20, 21, 22 одним концом укреплен в точке нулевого потенциала (не обозначена), т.е. на середине соответственно основания 11, 12, 13, 14 витков 3, 4, 5, 6, а другим концом соединен с центром (не обозначен) рефлектора 2. Рефлектор 2 выполнен в виде перекрещивающихся под прямым углом проводников (на фиг.2 изображены штрихпунктиром), длина которых больше λ/2 минимальной длины волны рабочего диапазона. Рефлектор 2 способствует повышению коэффициенту усиления. Типовая схема питания антенны реализована прокладкой коаксиального фидера (на фиг.1, 2 не показан) по конструкции незамкнутых витков 3, 4, 5, 6 с вводом через точки (не обозначены) нулевых потенциалов. Клеммы подключены к источникам питания через трансформаторы на ферритовых сердечниках.
Антенна работает следующим образом.
При подключении двух источников (не показаны) питания крест-накрест к незамкнутым концам 7 и 9, 8 и 10, являющихся клеммами, витков 3, 4, 5, 6, в случае синфазного или противофазного включения, реализуются электрические схемы, эквивалентные типовым полотнам зигзагообразных антенн с дополнительными проводниками распределенной емкости, т.е. вертикальная или горизонтальная поляризации.
В режиме круговой поляризации антенна будет работать со сдвигом фаз между источниками питания в 90° и в зависимости от опережения или отставания фаз одного из источников питания относительно другого будет реализована круговая поляризация с правой или левой сторонами вращения плоскости поляризации.
Подключение источников питания крест-накрест позволяет осуществлять поворот плоскости поляризации так же, как и в прототипе, с соотношениями фазового сдвига между токами этих источников: 0° - для вертикальной поляризации, 180° - для горизонтальной поляризации, 90° - для круговой поляризации, величины которых можно оперативно изменять.
Но, в отличие от прототипа, наличие дополнительно введенных проводников 19, 20, 21, 22, соединяющих рефлектор 2 с активным вибратором 1 особым образом, когда один конец каждого из этих проводников укреплен на середине основания незамкнутого витка, т.е. в точке нулевого потенциала, а другим концом соединен с центром рефлектора 2, создает своеобразную замедляющую структуру. Эта структура обеспечивает синфазное сложение прямого и отраженного радиосигнала с повышением как коэффициента усиления, так и направленности антенны. Кроме того, эти проводники 19, 20, 21, 22 снимают статическое электричество с полотна активного вибратора 1.
В рассматриваемом техническом решении, как вариант, возможно подключение источников питания через трансформаторы на ферритовых сердечниках, размещенных в центре под активным вибратором 1 на стреле (не показана), исходящей из центра рефлектора 2 и заканчивающейся перед плоскостью активного вибратора 1. Представленные на фиг.3 и 4 диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях свидетельствуют об односторонней направленности антенны с повышенным коэффициентом усиления.
Предлагаемая в качестве изобретения антенна в составе проекта «Роль инновационных технических решений в антенных устройствах или эксклюзивные инновации Z-вибраторных антенн» стала лауреатом на Всероссийском форуме «Изобретатели и инновационная политика России», проходившем 19-20 ноября 2010 г. в г.Санкт-Петербурге.
1. Направленная универсальная поляризационная зигзагообразная антенна, содержащая активный вибратор, состоящий из четырех одинаковых незамкнутых витков, имеющих по одному основанию и две боковые стороны, каждая из которых является общей для двух соседних, и расположенных в одной плоскости, незамкнутые концы витков повернуты к центру антенны и являются клеммами, к которым крест-накрест подключены источники питания, отличающаяся тем, что дополнительно введены проводники, и установлен рефлектор в плоскости, параллельной плоскости активного вибратора, на расстоянии λ/8-λ/20 средней длины волны рабочего диапазона, каждый проводник одним концом укреплен на середине основания незамкнутого витка, а другим концом соединен с центром рефлектора.
2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что середины оснований незамкнутых витков являются точками нулевого потенциала.
3. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что каждый незамкнутый виток повернут на 90° относительно соседнего витка.
4. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что основания незамкнутых витков выполнены таким образом, что образуют геометрическую фигуру, которой может быть окружность или многоугольник.
5. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что рефлектор выполнен в виде перекрещивающихся под прямым углом проводников.
6. Антенна по п.5, отличающаяся тем, что длина проводников рефлектора больше λ/2 минимальной длины волны рабочего диапазона.
