Всенаправленная кольцевая антенна с активным противовесом
Владельцы патента RU 2707956:
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Полярный геофизический институт" (RU)
Изобретение относится к антенной технике, в частности к кольцевым всенаправленным антеннам. Всенаправленная кольцевая антенна содержит проволочные петли, равномерно распределенные по кругу и синфазно питаемые от одной коаксиальной линии. Плоскость каждой из проволочных петель кольцевой антенны повернута на угол относительно плоскости, проходящей через вертикальную продольную ось антенны. Угол поворота петель зависит от требуемого соотношения составляющих электромагнитного поля на горизонтальной и вертикальной поляризациях. Ниже петель установлен активный скелетный проволочный конусный противовес из двухпроводных четвертьволновых шлейфов. К вершине конуса гальванически присоединены нижние концы петель, а внутри него проходит линия питания антенны. Шлейфы разомкнутыми концами присоединены к клеммам питания проволочных петель, а их замкнутые концы соединены между собой проводниками, образующими внешний кольцевой периметр конусного противовеса. Технический результат заключается в возможности работать при вертикальной и горизонтальной поляризации электромагнитного поля. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к антенной технике, в частности, к кольцевым всенаправленным антеннам с универсальной поляризацией.
Широко известны кольцевые антенны, используемые как на декаметровых, так и на метровых волнах и являющиеся горизонтально поляризованными антеннами с изотропным (всенаправленным) излучением. Одной из известных антенн с горизонтальной поляризацией является «Большое колесо» или The Big Wheel (Mellen R., Milner C. The Big Wheelon Two // ARRLQST 1961. Vol. XLV. №9. P. 42-47), в виде трех петлевых рамок, с длиной периметров соизмеримой с длиной волны, близких по форме к треугольникам, равномерно распределенных по кругу. Источник сигнала подключается в центре антенны с параллельным соединением трех петель. Секторное размещение петель в горизонтальной плоскости обеспечивает круговое излучение с горизонтальной поляризацией. Известна всенаправленная кольцевая антенна, являющаяся модернизацией «Большего колеса», «Колесо в наклонных плоскостях» или The Skew-Planar Wheel (Mellen R., Milner C.The Skew-Planar Wheel Antenna // ARRLQST 1963. Vol. XLVII. №11. P. 11-13), которая имеет четыре петли, но плоскость каждой из них повернута на угол 45 градусов, по отношению к горизонтальной плоскости. В результате этого диаграмма направленности остается изотропной, но поляризация в данном случае эллиптическая, а не горизонтальная.
Недостатком известной антенны является низкая надежность из-за хрупкости скелетной конструкции с недостаточно устойчивым креплением ажурного антенного устройства.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой в качестве изобретения антенне, прототипу, является всенаправленная кольцевая антенна (патент RU №2482579 от 20.05.2013, бюл. №14), содержащая проволочные петли, равномерно распределенные по кругу и синфазно питаемые от одной коаксиальной линии. Плоскость каждой из петель повернута относительно плоскости, проходящей через вертикальную продольную ось антенны, при этом угол поворота петель зависит от требуемого соотношения составляющих электромагнитного поля на горизонтальной и вертикальной поляризации. Ниже петель установлен усеченный сплошной проводящий конус, являющийся противовесом петлевой комбинации, к вершине которого гальванически присоединены нижние концы петель, а внутри него проходит линия питания антенны.
Недостатком прототипа является сложная антенная ажурная конструкция петель в комбинации со сплошным конусным противовесом, повышенная ветровая нагрузка и пониженная механическая надежность с невозможностью настройки готовых изделий.
Задачей настоящего изобретения является устранение недостатков прототипа и разработка всенаправленной кольцевой антенны, способной работать при горизонтальной и вертикальной поляризации электромагнитного поля.
Технический результат изобретения достигается техническим решением при введении активного противовеса.
Техническое решение всенаправленной кольцевой антенны с активным противовесом обеспечивается тем, что она содержит проволочные петли-излучатели, равномерно распределенные по кругу и синфазно запитанные от одной коаксиальной линии. Плоскость каждой из петель повернута относительно плоскости, проходящей через вертикальную продольную ось антенны с углом поворота петель в зависимости от требуемого соотношения составляющих электромагнитного поля на горизонтальной и вертикальной поляризации. Ниже установлен конусный противовес с гальванически соединенными нижними концами петель к его верхней части, внутри которого проходит линия питания антенны. Конусный противовес выполнен скелетным, и содержит проволочные двухпроводные четвертьволновые шлейфы, равномерно распределенные по кругу, по числу проволочных петель, которые соединены разомкнутыми концами с клеммами питания проволочных петель. Замкнутые концы наклонных петель сторон конусного противовеса соединены между собой проводником, образующим внешний кольцевой периметр конуса.
Эквипотенциальные точки внутренних сторон каждой проволочной петли могут быть дополнительно соединены проводниками с общей точкой на продольной оси.
Эквипотенциальные точки внутренних сторон каждой проволочной петли, соединенные проводниками с общей точкой на продольной оси, могут быть соединены по продольной оси проводником с клеммой питания.
Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что конусный скелетный противовес выполнен активным, в виде набора проволочных двухпроводных четвертьволновых шлейфов. Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что шлейфы равномерно распределены по кругу, по числу проволочных петель, по сторонам, образующим конус.
Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что шлейфы соединены разомкнутыми концами к клеммам питания проволочных петель.
Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что замкнутые концы шлейфов соединены между собой проводниками, образующими внешний кольцевой периметр конусного противовеса.
Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что эквипотенциальные точки внутренних сторон каждой проволочной петли соединены проводниками с общей точкой на продольной оси.
Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что эквипотенциальные точки внутренних сторон каждой проволочной петли соединенные проводниками с общей точкой на продольной оси, соединены по продольной оси проводником с клеммой питания.
Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что для большего влияние на стабилизацию электрических характеристик от внешних переизлучателей противовес выполнен активным.
Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что конусный скелетный противовес в виде набора проволочных двухпроводных четвертьволновых шлейфов увеличивает ветроустойчивость всей антенной системы.
Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что конусный скелетный противовес в виде набора проволочных двухпроводных четвертьволновых шлейфов за счет введения дополнительных проводников обеспечивает повышенную механическую надежность антенны.
Сочетание отличительных признаков и свойств как в заявленном устройстве всенаправленной кольцевой антенны с активным противовесом из технической, научной литературы и патентной документации не выявлено, поэтому оно соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.
Промышленная применимость заявленного технического решения усматривается в сравнительной простоте изготовления, тиражирования и эксплуатации, в повышенных электрических показателях, возможности использования на промышленной основе и конкурентоспособном уровне.
Предлагаемая всенаправленная кольцевая антенна с активным противовесом иллюстрируется чертежами.
На фиг. 1 приведен эскиз отправной версии всенаправленной кольцевой антенны с активным противовесом.
На фиг. 2 приведен эскиз полной версии всенаправленной кольцевой антенны с активным противовесом.
На фиг. 3, 4 приведены основные электрические параметры всенаправленной кольцевой антенны с активным противовесом по результатам компьютерного моделирования в программе MMANA.
Предлагаемая всенаправленная кольцевая антенна с активным противовесом (фиг. 1), содержит проволочные петли 1, равномерно распределенные по кругу и синфазно питаемые от одной коаксиальной линии с клеммами питания «а» и «б». Плоскость 2 каждой из петель 1 повернута относительно плоскости 3, проходящей через вертикальную продольную ось 4 антенны на угол α поворота петель в зависимости от требуемого соотношения составляющих электромагнитного поля на горизонтальной и вертикальной поляризации. Ниже петель 1 установлен конусный противовес 5 с гальванически соединенными нижними концами петель 1 к его верхней части, клемме питания «а». Внутри конусного противовеса 5 проходит линия питания антенны, к центральному проводу которой подключены верхние концы петель 1, образуя клемму «б». Конусный противовес 5 выполнен скелетным и содержит проволочные двухпроводные четвертьволновые шлейфы 6, равномерно распределенные по кругу, по числу проволочных петель 1, которые соединены разомкнутыми концами к клеммами питания «а» и «б», проволочных петель 1. Замкнутые концы шлейфов «в» соединены между собой проводниками 7, образующими внешний кольцевой 8 периметр конусного противовеса 5.
В предлагаемой всенаправленной кольцевой антенне с активным противовесом (фиг. 2) эквипотенциальные точки «с» внутренних сторон каждой проволочной петли 1 могут быть соединены проводниками 8 с образованием общей точки 9 на вертикальной продольной оси 4.
При этом, общая точка 9 на вертикальной продольной оси 4, образованная при соединении эквипотенциальных точек «с» внутренних сторон каждой проволочной петли 1 проводниками 8, может быть по вертикальной продольной оси 4 соединена проводником 10 с клеммой питания «б».
Всенаправленная кольцевая антенна с активным противовесом работает следующим образом.
Равномерное распределение петель 1 антенны и шлейфов противовеса 6 по кругу обеспечивают в горизонтальной плоскости всенаправленное излучение сигнала в зоне углов 360°. За счет того, что петли 1 установлены с поворотом относительно вертикальной продольной оси 4 антенны, токи в излучающих частях антенны формируют поле излучения, имеющее вертикальную и горизонтальную составляющие. Конусный активный противовес 5 участвует в качестве дополнительного экрана в формировании круговых диаграмм направленности и улучшает согласование антенны с коаксиальной линией питания. В результате этого антенна имеет достаточно равномерные всенаправленные диаграммы в горизонтальной плоскости и способна работать при горизонтальной и вертикальной поляризации электромагнитного поля. Изменяя угол α поворота петель 1, можно получить требуемое соотношение составляющих электромагнитного поля на горизонтальной и вертикальной поляризациях. Таким образом, использование в кольцевой антенне наклонных проволочных петель 1 совместно с конусным активным противовесом 5, выполненным скелетным, содержащим проволочные двухпроводные четвертьволновые шлейфы 6, решает поставленную задачу и обеспечивает достижение требуемого технического результата - способность всенаправленной кольцевой антенны с активным противовесом работать при вертикальной и горизонтальной поляризации электромагнитного поля. Соединение эквипотенциальных точек «с» внутренних сторон каждой проволочной петли 1 проводниками 8 с общей точкой 9 на вертикальной продольной оси 4 не нарушает синфазности работы петель 1, но, подобно включению классических шунтов, изменением расстояния точек их подключения от клеммы питания «б» можно изменять входное сопротивление антенны и вести настройку. Соединение общей точки 9 на продольной оси 4 проводником 10 по продольной оси с клеммой питания «б» повышает добротность антенны за счет дополнительного электрического симметрирования относительно точки нулевого потенциала и увеличивает электрическую надежность. Таким образом, решается поставленная задача по настройке готовых изделий.
Использование в конструкции только проволочных элементов, технологически и конструктивно упрощает антенное устройство и снижает ветровые нагрузки на антенну, а введение новых проводников 8 и 10 при дополнительном механическом соединении петель с несущей продольной осью в виде проводника 10 обеспечивает гарантии надежности. Таким образом, решается поставленная задача по упрощению и повышению надежности.
Доводы полностью подтверждает анализ работы технического решения по изобретению на основании результатов компьютерного моделирования основных параметров в программе MMANA на частоте 300 МГц, показанных на фиг. 3 и 4. На фиг. 3 показаны диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскости, где внутренний контур принадлежит горизонтальной поляризации, а внешний контур - вертикальной поляризации. На фиг. 4 показано изменение коэффициента согласования в полосе 100 МГц.
1. Всенаправленная кольцевая антенна с активным противовесом, содержащая проволочные петли, равномерно распределенные по кругу и синфазно питаемые от одной коаксиальной линии, плоскость каждой из которых повернута относительно плоскости, проходящей через вертикальную продольную ось антенны, с углом поворота петель в зависимости от требуемого соотношения составляющих электромагнитного поля на горизонтальной и вертикальной поляризации с нижеустановленным конусным противовесом с гальванически соединенными нижними концами петель к его верхней части, внутри которого проходит линия питания антенны, отличающаяся тем, что конусный противовес выполнен скелетным и содержит проволочные двухпроводные четвертьволновые шлейфы, равномерно распределенные по кругу, по числу проволочных петель, которые соединены разомкнутыми концами к клеммам питания проволочных петель и у которых замкнутые концы соединены между собой проводниками, образующими внешний кольцевой периметр конусного противовеса.
2. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что эквипотенциальные точки внутренних сторон каждой проволочной петли соединены проводниками с общей точкой на вертикальной продольной оси.
3. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что эквипотенциальные точки внутренних сторон каждой проволочной петли, соединенные проводниками с общей точкой на продольной оси, от общей точки по продольной оси соединены проводником с клеммой питания.
