Направленная антенна вертикальной поляризации с резонаторным питанием
DIRECTED VERTICAL POLARIZATION ANTENNA WITH RESONATOR POWER SUPPLY

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антеннам с вертикальной поляризацией и секторальной диаграммой направленности в горизонтальной плоскости и может быть использована в качестве направленных антенн для беспроводных сетей, преимущественно диапазона ISM.
Общеизвестна направленная антенна типа «Волновой канал» (https://ru.wikipedia.org/wiki/Волновой канал). Антенна содержит размещенные на траверсе активный и ряд пассивных вибраторов - рефлекторов, расположенных относительно направления излучения за активным вибратором, а также директора, расположенные перед активным вибратором. Ток, наведенный излучением активного вибратора, в рефлекторе наводит напряжение. Для рефлектора, сопротивление которого носит индуктивный характер за счет его длины, большей 0,5λ, напряжение отстает по фазе от напряжения в активном вибраторе на 270°. В результате излучение активного вибратора и рефлектора в направлении рефлектора складывается в противофазе, а в направлении активного вибратора - в фазе, что приводит к усилению излучения в направлении активного вибратора, приблизительно вдвое. Аналогично рефлектору работают директоры, однако из-за емкостного характера их сопротивления (что определяется их меньшей длиной) излучение усиливается в направлении директоров. Каждый дополнительный рефлектор или директор дают прибавку усиления, но меньшую, чем предыдущий рефлектор и директор, причем для рефлектора эффект ослабления действия дополнительных элементов выражен намного сильней, и поэтому более одного рефлектора применяют достаточно редко.
Недостатками классической антенны типа «Волновой канал» являются ее преимущественное использование с горизонтальной поляризацией из-за особенностей симметрирования и согласования с коаксиальными кабелями и ее большие габаритные размеры.
Известна направленная антенна вертикальной поляризации (ПМ РФ №18020, опубл. 10.05.2001), содержащая полуволновый вибратор, переходящий у основания в замкнутую четвертьволновую двухпроводную линию, выполненную в виде двух жестко связанных металлических стержней, с введенными двумя диэлектрическими траверсами, которые установлены в средней части полуволнового вибратора перпендикулярно к оси полуволнового вибратора. Параллельно оси полуволнового вибратора с одной стороны в траверсе жестко устанавливается металлический стержень рефлектора, а с другой стороны параллельно оси полуволнового вибратора в траверсе жестко устанавливаются один или несколько металлических стержней директоров. Кроме того, антенна содержит элемент жесткого крепления траверс с вибратором.
Недостатками известной направленной антенны являются использование двух диэлектрических траверс и элемента жесткого крепления траверс с вибратором, усложняющих устройство и производство антенны, снижающих механическую надежность конструкции и ее функциональность.
Наиболее близкой заявленному изобретению является направленная УКВ антенна 433-435 МГц (АН5-433, ООО «Геолинк»), представляющая собой направленную антенну типа «Волновой канал», изготовленную в виде стальной сборной сварной конструкции. В известном техническом решении, прототипе, излучающий элемент адаптирован к использованию с вертикальной поляризацией и в структуре вибраторов типа «Волновой канал», содержит полуволновой вибратор, запитанный с его нижнего окончания через согласующее устройство в виде четвертьволновой открытой линии, замкнутой на нижнем конце с так называемым J-согласованием и заземленным основанием. Выполнение функций рефлектора и директоров определяются электрическими длинами стержневых элементов.
Недостатками прототипа являются стационарные амплитудно-частотные характеристики, а также увеличенная протяженность вибраторной структуры и ее одноточечное крепление, снижающие механические нагрузки и ветроустойчивость, сложность настройки по месту установки с ограниченной функциональностью.
Решаемая изобретением задача заключается в улучшении технико-эксплуатационных характеристик направленной антенны вертикальной поляризации с резонаторным питанием, а также расширении функциональных возможностей.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, достигаемым при использовании изобретения, является возможность регулирования ширины диаграммы направленности и расширения полосы рабочих частот, упрощение конструкции антенны и снижение ее стоимости за счет унификации идентичных угловых элементов: - полувибраторов, для реализации активных рефлектора и директоров. Упрощается также настройка регулирования полосы частот и ширины диаграммы направленности антенны за счет того, что настройка осуществляется путем изменения угла раскрыва и длин полувибраторов.
Для решения поставленной задачи с достижением технического результата заявленная направленная антенна содержит два жестко связанных металлических стержня, включающих полуволновой вибратор, запитанный с нижнего окончания через согласующее устройство, в виде четвертьволновой открытой линии, замкнутой на нижнем конце, с расположенными вертикально, параллельно оси полуволнового вибратора, рефлектор и директоры. Рефлектор и директоры выполнены активными с устройствами шунтового питания и перекрестно подключены соединительными проводниками равной длины к окончаниям полуволнового вибратора.
Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:
- использовался один активный рефлектор и один активный директор, где активный рефлектор и активный директор, расположенные в плоскости полуволнового вибратора, были выполнены в виде двух идентичных угловых элементов:
- полувибратора с соединительным проводником, встречно соединенных между собой по длине шунтов;
- два идентичных директора, выполненные активными, с устройствами шунтового питания и перекрестно подключенные соединительными проводниками равной длины к окончаниям полуволнового вибратора, симметрично разведены от оси направленности в горизонтальной плоскости с образованием угла раскрыва α между собой.
Новизна в части устройства усматривается в том, что в направленной антенне вертикальной поляризации с резонаторным питанием рефлектор и директоры выполнены активными.
Новизна в части устройства усматривается в том, что рефлектор и директоры электрически подключены к окончаниям полуволнового вибратора.
Новизна в части устройства усматривается в том, что рефлектор и директоры выполнены с устройствами шунтового питания.
Новизна в части устройства усматривается в том, что соединительные проводники для каждого подключенного вибратора имеют равные длины и подключены перекрестно.
Новизна в части устройства усматривается в том, что рефлектор и директоры выполнены в виде двух идентичных угловых элементов: - полувибраторов с соединительными проводниками.
Новизна в части устройства усматривается в том, что полувибраторы для создания вибратора встречно соединены между собой с перекрытием по протяженности длин шунтов.
Новизна в части устройства усматривается в том, что перекрестно подключенные соединительными проводниками равной длины к окончаниям полуволнового вибратора директоры могут быть симметрично разведены от оси направленности в горизонтальной плоскости с образованием угла раскрыва α между собой.
Промышленная применимость предлагаемого технического решения усматривается в сравнительной простоте изготовления, высоких электрических характеристиках, возможности использования в мелкосерийном производстве и для широкого распространения на промышленной основе при высоком конкурентоспособном уровне. В сравнении с известными аналогами и прототипом предлагаемая антенна выгодно отличается повышенной функциональностью, технико-эксплуатационными и экономическими характеристиками.
Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются с помощью вариантов его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.
Фиг. 1 схематично изображает эскиз заявленного устройства;
Фиг. 2 - диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскости с основными электрическими характеристиками;
Фиг. 3 схематично изображает эскиз заявленного устройства в версии с одним активным директором;
Фиг. 4 - его диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскости с основными электрическими характеристиками;
Фиг. 5 схематично изображает эскиз заявленного устройства с разведенными директорами;
Фиг. 6 - его диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскости с основными электрическими характеристиками.
Направленная антенна вертикальной поляризации с резонаторным питанием (фиг. 1) содержит два жестко связанных металлических стержня 1 и 2. Полу волновой вибратор 3 запитан с его нижнего окончания (точка «а») через согласующее устройство в виде четвертьволновой открытой линии 4, замкнутой на нижнем конце. Параллельно оси 5 полуволнового вибратора 3 вертикально расположены рефлектор 6 и директоры 7 и 8. Рефлектор 6 и директоры 7, 8 выполнены активными с устройствами шунтового питания 9, 10 и 11. Рефлектор 6 и директоры 7, 8 перекрестно подключены соединительными проводниками 12, 13, 14 и 15, 16, 17, равной длины к нижнему окончанию «а» и верхнему окончанию «б» полуволнового вибратора 3.
Для упрощения конструкции направленной антенны вертикальной поляризации с резонаторным питанием за счет оптимизации, из-за того, что дополнительный директор 8 дает прибавку усиления, но меньшую, чем предыдущий директор 7, направленная антенна вертикальной поляризации с резонаторным питанием представлена в версии с одним активным директором 7 (фиг. 3). При этом активный рефлектор 6 и активный директор 7, расположенные в плоскости 18 полуволнового вибратора, выполнены в виде двух идентичных угловых элементов. Идентичные угловые элементы - полувибраторы 19 и 20, 21 и 22 с соединительными проводниками 12 и 13, 15 и 16, встречно соединены между собой по длине устройств шунтового питания 9 и 10.
Кроме того, в версии направленной антенны вертикальной поляризации с резонаторным питанием с расширенной в горизонтальной плоскости диаграммой направленности и увеличенной полосой рабочих частот на эскизе (фиг. 5) заявленное устройство отображено с разведенными директорами. В антенне два идентичных директора 7 и 8 выполнены активными с устройствами шунтового питания 10 и 11 и перекрестно подключены соединительными проводниками соответственно 13, 16 и 14, 17 равной длины к окончаниям «а» и «б» полуволнового вибратора 3, симметрично разведены от оси 5 направленности в горизонтальной плоскости 23 с образованием угла раскрыва α между собой.
Работает антенна (фиг. 1) следующим образом.
Направленная антенна вертикальной поляризации с резонаторным питанием для приема и излучения радиосигналов, содержащая полуволновой вибратор 3, запитанный с его нижнего окончания в точке «а» через согласующее устройство в виде четвертьволновой открытой линии 4, замкнутой на нижнем конце, по своему виду напоминает латинскую букву «J». Вследствие этого в различной литературе такую антенну еще называют «J-антенной».
Высокое входное сопротивление полуволнового вибратора с любого конца, при питании с его нижнего окончания известным способом трансформируется к волновому сопротивлению кабеля выбором оптимального расстояния от точек подключения до замкнутого конца линии. Использование в качестве согласующего элемента открытой линии обеспечивает малые потери при большом коэффициенте трансформации. Коэффициент усиления «J-антенны» соизмерим с коэффициентом усиления классического диполя. При размещении в плоскости полуволнового вибратора, параллельно, вдоль оси направленности антенны ряда пассивных вибраторов - рефлектора, расположенного относительно направления излучения за активным вибратором, а также директоров, расположенных перед активным вибратором делает антенное устройство односторонне направленным. Ток, наведенный излучением активного вибратора, в рефлекторе создает напряжение. Для рефлектора, сопротивление которого носит индуктивный характер за счет его длины, большей 0,5λ, напряжение отстает по фазе от напряжения в активном вибраторе на 270°. В результате излучение активного вибратора и рефлектора в направлении рефлектора складывается в противофазе, а в направлении активного вибратора - в фазе, что приводит к усилению излучения в направлении активного вибратора, приблизительно вдвое. Аналогично рефлектору работают директоры, однако из-за емкостного характера их сопротивления (что определяется их меньшей длиной) излучение усиливается в направлении директоров. В свою очередь, излучение рефлектора и директоров возможно не только за счет наведенных токов, а и токами проводимости, что осуществляется в известных классических логопериодических антеннах при параллельном гальваническом соединении разрезных вибраторов с входными сопротивлениями в точках питания при суммировании соизмеримыми с волновым сопротивлением кабеля. В предлагаемом техническом решении гальваническое соединение осуществлено из физической точки снятия питания «а» с нижнего окончания активного полуволнового вибратора 3 и симметрично, с его верхнего окончания из точки «б», перекрестно подключенными соединительными проводниками равной длины 12, 13, 14 и 15, 16, 17 с подключением к рефлектору 6 и директорам 7 и 8. Для согласования сопротивления активного полуволнового вибратора 3 по сопротивлению с учетом электрической нагрузки с параллельным подключением в активный режим рефлектора 6 и директоров 7 и 8, применены устройства шунтового питания 9, 10 и 11, как в схемах классического включения шунтов в диполях. Таким образом, работа предлагаемой направленной антенны вертикальной поляризации с резонаторным питанием подобна работе известных направленных логопериодических антенн.
В свою очередь, версия упрощенной конструкции направленной антенны вертикальной поляризации с резонаторным питанием за счет того, что дополнительный директор дает прибавку усиления, но меньшую, чем предыдущий директор, направленная антенна вертикальной поляризации с резонаторным питанием с одним активным директором 7 (фиг. 3) наиболее оптимальна. Снижение коэффициента усиления на 10-15 процентов компенсируется упрощением конструкции и повышением механической надежности антенного устройства. При этом активный рефлектор 6 и активный директор 7, расположенные в плоскости полуволнового вибратора 18, выполненные в виде двух идентичных угловых элементов, упрощают технологию изготовления антенны. Идентичные угловые элементы - полувибраторы 19 и 20, 21 и 22 с соединительными проводниками 12 и 13, 14 и 15, встречно соединенные между собой по длине устройств шунтового питания 9 и 10, работают однозначно, как и при классическом включении шунтов в диполях.
Для расширения в горизонтальной плоскости диаграммы направленности и увеличения полосы рабочих частот направленной антенны вертикальной поляризации с резонаторным питанием (фиг. 5) в заявленном устройстве директоры 7 и 8 симметрично разведены от оси направленности в горизонтальной плоскости 23 с образованием угла раскрыва α между собой. В такой реализации, формируемые по направлениям директоров 7 и 8 диаграммы направленности, складываются, расширяя суммарную диаграмму направленности антенны. В качестве непредвиденного эффекта при разведении директоров от оси направленности в горизонтальной плоскости 23 с образованием угла раскрыва α между собой до 2 раз расширяется рабочая полоса частот заявленной антенны относительно выстроенных в одну линию директоров ив 1,5 раза относительно антенны с 1 директором.
Компьютерное моделирование конструкции полностью подтверждает теоретические предпосылки при разработке технического решения направленной антенны вертикальной поляризации с резонаторным питанием. Расчетные коэффициенты усиления для антенны на 434 МГц у заявленного технического решения 9dBi, у антенны с одним директором 8,3dBi и у антенны с расширенной диаграммой направленности 8dBi., Ширина диаграмм направленностей, 70; 80; 90 и полосы рабочих частот 5,5 МГц; 10 МГц; 15 МГц - соответственно.
Были организованы испытания заявленной антенны, результаты которых полностью подтвердили данные компьютерного моделирования.