Треугольно-дуговая антенна с кольцевым активным директором

Треугольно-дуговая антенна с кольцевым активным директором относится к антенной технике и может быть использована для работы в сложных условиях электромагнитной среды на радиолиниях систем дальней связи, в беспроводных сетях, в системах телеуправления и навигации.
Известна турникетная антенна круговой поляризации, в которой пара конструктивно и электрически тождественных директорных антенн расположена в пространстве так, что разница их плоскостей поляризации составляет 90°. Когда обе системы вибраторов возбуждаются при взаимном сдвиге фаз на 90°, то у директорных структурных систем возникает круговая поляризация (Ротхаммель К., Кришке А. Антенны. Том 2: Пер. с нем. - М.: Данвел, 2005, стр. 149-155, рис. 26.30, 26.32). При продольных размерах по траверсе 0,85 средней длины волны известная антенна с креплением элементов на ней обеспечивает усиление около 8,5 dB в осевом направлении.
Недостатками директорной турникетной антенны являются громоздкая структура используемых элементов, увеличенные продольные размеры и сложная система симметрирования и согласования по питанию.
Наиболее близкой по своей технической сущности к заявленной является известная треугольно-дуговая антенна круговой поляризации Милкина-Калитенкова (Пат. РФ №2640095, опубл. 26.12.2017). Антенна-прототип содержит четыре изогнутых вибратора, расположенных во взаимно ортогональных плоскостях над экраном. Каждый из вибраторов замкнут на экран, направлен по радиусу к центру антенны и возбужден равноамплитудно с прогрессивным на 90° сдвигом по фазе. Вибраторы выполнены длиной не менее 0,25 средней длины волны в виде дуговых элементов с линейными участками, параллельными экрану, при возбуждении концов расположенных вблизи осевой линии, проходящей через центр антенны. Параллельно экрану перед вибраторами во взаимно ортогональных плоскостях расположены линейные директоры, длиной 0,4 средней длины волны, кондуктивно соединенные от концов проводниками, длиной 0,3 средней длины волны, с точками возбуждения концов вибраторов. Линейные директоры, расположенные в диаметральных плоскостях вибраторов, соединены от концов перекрещивающими проводниками, а также образуют пространственные треугольники. При продольных размерах по траверсе длиной 0,3 средней длины волны антенна-прототип обеспечивает усиление около 9,3 dB в осевом направлении.
Техническим результатом, на достижение которого направлена полезная модель, является повышение коэффициента усиления, увеличение жесткости конструкции, упрощение устройства и технологии изготовления для обеспечения работы в режимах с линейными поляризациями и с меньшей эллиптичностью при круговой поляризации.
Техническое решение обеспечивается тем, что треугольно-дуговая антенна с кольцевым активным директором, содержит четыре изогнутых вибратора, выполненных длиной не менее 0,25 средней длины рабочей волны в виде дуговых элементов с линейными участками, параллельными экрану, расположенных парами во взаимно ортогональных плоскостях над экраном. Каждый из вибраторов дугой замкнут на экран, направлен по радиусу к центру антенны и возбужден равноамплитудно с прогрессивным на 90° сдвигом по фазе, при возбуждении концов расположенных вблизи осевой линии, проходящей через центр антенны. Параллельно экрану перед вибраторами, расположен активный кольцевой директор, подключенный соединительными проводниками к точкам возбуждения концов вибраторов. Директор, выполненный в виде кольца, с длиной окружности соизмеримой с длиной рабочей волны, расположен осесимметрично и параллельно плоскости линейных участков изогнутых вибраторов на расстоянии 0,25 средней длины рабочей волны от вибраторов. Соединительные проводники от точек возбуждения концов вибраторов к точкам подключения активного кольцевого директора расположены во взаимно ортогональных плоскостях перпендикулярных подключаемым парам вибраторов. Средние точки на окружности активного кольцевого директора, между точками подключенных проводников, радиально соединены проводниками между собой в точке центра окружности в плоскости активного кольцевого директора.
Техническое решение обеспечивается и тем, что точка соединения проводников в центре окружности на плоскости активного кольцевого директора гальванически соединена проводником по осевой линии с центром экрана.
Техническое решение обеспечивается и тем, что между расположенным параллельно экрану активным кольцевым директором и изогнутыми вибраторами, изолировано от элементов конструкции антенны, расположен параллельно им кольцевой директор, выполненный с длиной окружности, соизмеримой со средней длиной рабочей волны.
Техническое решение обеспечивается и тем, что не менее чем один, в паре изогнутых вибраторов, может быть выполнен трубчатым, с проложенным внутри коаксиальным кабелем, экран которого подключен к точке возбуждения конца вибратора, в котором проложен коаксиальный кабель, а центральный проводник коаксиального кабеля подключен к точке возбуждения конца противоположного вибратора, причем ортогонально расположенные вибраторы подключены со сдвигом по фазе на 90°.
Отличительными признаками предлагаемой треугольно-дуговой антенны с кольцевым активным директором от указанной выше известной, наиболее близкой к ней, являются следующие:
- выполнение директора в виде кольца, с длиной окружности соизмеримой с рабочей длиной волны;
- расположение директора осесимметрично и параллельно плоскости линейных участков изогнутых вибраторов на расстоянии 0,25 средней длины рабочей волны от вибраторов;
- выполнение кольцевого директора активным с подключением соединительными проводниками к точкам подключения директора расположенным во взаимно ортогональных плоскостях перпендикулярных подключаемым парам вибраторов;
- соединение средних точек на окружности активного кольцевого директора проводниками между точками подключенных проводников, радиально между собой в точке центра окружности в плоскости активного кольцевого директора;
- подключение точки соединения проводников в центре окружности на плоскости активного кольцевого директора гальванически по осевой линии с центром экрана;
- расположение, выполненного с длиной окружности соизмеримой со средней длиной рабочей волны, с центром на оси, параллельно экрану с изогнутыми вибраторами, расположенными во взаимно ортогональных плоскостях, изолировано от конструкции антенны пассивного кольцевого директора;
Благодаря наличию этих признаков достигается увеличение коэффициента усиления за счет дополнения диаграммообразующей структуры антенны активным директором, выполненным в виде кольца, с длиной окружности соизмеримой с рабочей длиной волны, расположенного осесимметрично и параллельно плоскости линейных участков изогнутых вибраторов на расстоянии 0,25 средней длины рабочей волны от вибраторов. При этом обеспечивается осевая направленность антенны. Версия выполнения дуговых вибраторов трубчатыми, упрощает коммутацию, симметрирование и согласование при подключении к антенне коаксиального кабеля питания. Соединение точки нулевого потенциала на осевой линии антенны в точке соединения проводников, в центре окружности на плоскости кольцевого директора и точки прохождения осевой линии на экране, обеспечивает устройство проводящей траверсы, повышающей жесткость конструкции. Симметричное расположение конструктивных элементов относительно осевой линии и равенство соединительных проводников, при возбуждении вибраторов равноамплитудным, с прогрессивным на 90° сдвигом по фазе питанием обеспечивают работу в режиме круговой поляризации в раскрыве угла диаграммы направленности до 140°.
Новизна в части устройства полезной модели усматривается в том, что директор выполнен в виде замкнутого кольца, с длиной окружности, соизмеримой с рабочей длиной волны и активным, с подключением соединительными проводниками к точкам, расположенным во взаимно ортогональных плоскостях, перпендикулярных подключаемым парам дуговых вибраторов, при возбуждении концов, расположенных вблизи осевой линии проходящей через центр антенны.
Новизна в части устройства усматривается в том, что средние точки на окружности кольцевого директора между точками подключенных проводников, соединены проводниками радиально между собой в точке центра окружности в плоскости кольцевого директора, электрически симметрируя, с устройством точки нулевого потенциала антенны.
Новизна в части устройства усматривается в том, что возможно подключение точки соединения проводников в центре окружности на плоскости кольцевого директора гальванически по осевой линии с центром экрана, обеспечивая устройство проводящей траверсы, повышающей жесткость конструкции.
Новизна в части устройства усматривается в том, что расположение. пассивного кольцевого директора, выполненного с длиной окружности соизмеримой с длиной рабочей волны, с центром на оси, параллельно экрану и линейным частям изогнутых вибраторов, расположенных во взаимно ортогональных плоскостях, производится изолировано от элементов конструкции антенны, обеспечивая технологическое выполнение устройства всей антенны на диэлектрической трубчатой основе.
Новизна в части устройства усматривается в комбинации активных кольцевого директора с взаимно ортогональными парами дуговых вибраторов, подключенных соединительными проводниками, причем кольцевой директор через центр на оси антенны имеет диаметральные соединения за счет радиальных соединительных проводников, в комплексе образуя своеобразные пары объемных треугольников.
Сочетание отличительных признаков и свойств как в заявленном устройстве 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, эксплуатации и в высоких электрических и механических характеристиках в виде самостоятельной антенны, в возможности ее использования на промышленной основе и конкурентоспособном уровне.
Предлагаемая треугольно-дуговая антенна с кольцевым активным директором эскизно показана на фиг. 1, а ее характеристики на фиг. 2.
Треугольно-дуговая антенна с кольцевым активным директором, содержит четыре изогнутых вибратора 1, выполненных длиной не менее 0,25 средней длины рабочей волны, в виде дуговых элементов с линейными участками, параллельными экрану, расположенных парами во взаимно ортогональных плоскостях 2, 3 над экраном 4. Каждый из вибраторов 1, замкнут дугой на экран 4, направлен по радиусу к центру антенны и возбужден равноамплитудно с прогрессивным на 90° сдвигом по фазе, при возбуждении концов расположенных вблизи осевой линии 5, проходящей через центр антенны. Параллельно экрану, перед вибраторами, расположен директор 6, подключенный соединительными проводниками 7 с точками «а» возбуждения концов вибраторов 1. Директор 6 выполнен в виде кольца с длиной окружности, соизмеримой с длиной рабочей волны, расположен осесимметрично и параллельно плоскости линейных участков изогнутых вибраторов на расстоянии 0,25 средней длины рабочей волны от вибраторов 1. Соединительные проводники 7, от точек «а» возбуждения концов вибраторов 1 к точкам «b» подключения активного кольцевого директора 6, расположены во взаимно ортогональных плоскостях 2, 3, перпендикулярных подключаемым парам вибраторов 1. Средние точки «с» на окружности активного кольцевого директора 6, между точками «b» подключенных проводников, радиально соединены проводниками 8 между собой в точке «о» центра окружности в плоскости активного кольцевого директора 6. Точка «о» соединения проводников 8 в центре окружности на плоскости активного кольцевого директора 6 может гальванически быть соединена проводником 9 по осевой линии с центром экрана. Между расположенным параллельно экрану активным кольцевым директором 6 и изогнутыми вибраторами 1, изолировано от элементов конструкции антенны, может быть расположен параллельно им кольцевой директор 10, выполненный с длиной окружности, соизмеримой со средней длиной рабочей волны. Не менее, чем один, в паре изогнутых вибраторов 1, может быть выполнен трубчатым, с проложенным внутри коаксиальным кабелем, экран которого подключен к точке «а» возбуждения конца вибратора 1, в котором проложен коаксиальный кабель, а центральный проводник коаксиального кабеля подключен к точке возбуждения конца противоположного вибратора 1, причем ортогонально расположенные вибраторы подключены со сдвигом по фазе на 90°.
Треугольно-дуговая антенна работает следующим образом.
Две пары изогнутых вибраторов 1, находящихся во взаимно ортогональных плоскостях 2 и 3, замкнутых на экран 4, с линейными участками, параллельными экрану 4, возбуждаемых равноамплитудно, с прогрессивным на 90° сдвигом по фазе, создают поле круговой поляризации вдоль оси 5. При этом проводящий экран 4 реализует ортогональные пары петлевых вибраторов, за счет кратчайших путей токов по участкам экрана 4 между концами замкнутых дуг вибраторов 1 на экране 4, обеспечивающие упрощение технологии сборки конструкции антенны и устройства схемы ее питания. Расположение осесимметрично на оси 5 параллельно экрану 4 перед вибраторами 1 директора 6, выполненного в виде кольца, с длиной окружности соизмеримой с длиной рабочей волны, на расстоянии 0,25 средней длины рабочей волны от линейных участков изогнутых вибраторов 1 повышает коэффициент усиления и направленность устройства, что широко раскрыто в технической литературе. Соединительные проводники 7 от точек «а» возбуждения концов вибраторов 1 к точкам «b», подключения кольцевого директора 6, делают кольцевой вибратор активным, обеспечивая протекание по кольцу токов проводимости. Подключение точек «b», расположенных во взаимно ортогональных плоскостях 2, 3, перпендикулярных подключаемым парам вибраторов 1, обеспечивают фазирование токов в активном кольцевом вибраторе для формирования осесимметричной направленности антенны. Средние точки «с» на окружности активного кольцевого директора 6 между точками «b» подключенных проводников 7 являются точками нулевого потенциала на кольце, при длине окружности равной рабочей длине волны, с прогрессивным на 90° сдвигом по фазе подключением кольца по напряжению. Радиально соединенные между собой эквипотенциальные точки «с» проводниками 8 в точке «о» центра окружности в плоскости активного кольцевого директора 6 обеспечивают реализацию точки нулевого потенциала активного кольцевого директора. Точка «о» соединения проводников 8 в центре окружности на плоскости активного кольцевого директора 6, являясь точкой нулевого потенциала на продольной осевой линии 5, гальванически соединена проводником 9 по осевой линии 5 с центром экрана, обеспечивая как электрическую симметрию элементов, так и конструктивную жесткость антенна. Расположение параллельно между активным кольцевым директором 6 и экраном 4 с изогнутыми вибраторами 1, изолировано от элементов конструкции антенны кольцевого директор 10, выполненного с длиной окружности, соизмеримой со средней длиной рабочей волны дает дополнительное приращение коэффициента усиления и повышения направленности антенны. Выполнение трубчатым одного из в пары изогнутых вибраторов 1, с проложенным внутри коаксиальным кабелем, экран которого подключен к точке возбуждения конца вибратора, в котором проложен коаксиальный кабель, а центральный проводник коаксиального кабеля подключен к точке возбуждения конца противоположного вибратора 1, обеспечивают упрощение конструкции и электрического согласования антенного устройства. При этом, для обеспечения работы с линейной поляризацией, как и в классических турникетных антеннах, питание подключается только в одну из пар вибраторов, расположенной в рабочей плоскости поляризации или в обе пары синфазно, для получения сдвига плоскости поляризации на 45°.
Компьютерная модель треугольно-дуговой антенны с кольцевым активным директором по эскизу на фиг. 1, была проверена в ходе электронного моделирования в программе MMANA на частоте широко используемого гражданского диапазона 435 МГц.
Результаты компьютерного моделирования для расчетной частоты 435 МГц, показанные на фиг. 2, подтверждают высокий коэффициент усиления 9,6 dB укороченной, равной по продольной протяженности 0,25 средней длины волны антенны, а ортогональные диаграммы направленности подтверждают работу антенны с круговой поляризацией при раскрыве осевой диаграммы направленности до 140°.