СПОСОБ ПОСТРОЕНИЯ ВСЕНАПРАВЛЕННОЙ КОЛЬЦЕВОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ И АНТЕННА, ЕГО РЕАЛИЗУЮЩАЯ
METHOD OF CONSTRUCTING AN OMNIDIRECTIONAL ANNULAR ANTENNA ARRAY AND AN ANTENNA THAT IMPLEMENTS IT

Изобретение относится к области радиотехники и предназначено, в частности, для использования в системах подвижной и стационарной связи: сухопутной, воздушной, морской в метровом и дециметровом диапазонах.
Известен способ передачи сигналов через всенаправленную кольцевую логопериодическую антенную решетку вертикальной поляризации (патент на изобретение RU2587495, МПК H01Q11/10, H01Q21/20, опубл. 20.06.2016 г.), основанный на разделении полной рабочей полосы частот на два диапазона частот передачи, при этом для каждого из диапазонов выделяют свои секции антенной решетки, назначают передаваемым сигналам канал передачи, распределяют назначенные каналы по диапазонам передачи и передают сигнал через соответствующие секции антенной решетки. Диапазон работы секции определен максимальным радиусом удаления фазового центра вдоль фидерной линии логопериодических антенных элементов (далее ЛПАЭ). Таким образом, широкополосность системы обусловлена снижением влияния эффекта увеличения электрического радиуса решетки, за счет масштабирования ЛПАЭ для каждого из диапазонов полной рабочей полосы. Недостатком данного способа является усложненная фидерная система, требующая отдельных устройств сложения мощности и диаграммобразования для каждого из диапазонов, и кроме того частотно-разделительных устройств. Использование в качестве антенных элементов (далее АЭ) логопериодических антенн, отличающихся подвижным фазовым центром, перемещающимся с ростом частоты от длинных к коротким излучателям ЛПАЭ, влечет за собой большее изменение электрического радиуса решетки, нежели при использовании АЭ с неподвижным (фиксированным) фазовым центром.
Известен метод CSA (current sheet array) ([1] c. 583-586), принятый за прототип, предусматривающий создание антенной решетки в виде системы сильно связанных АЭ. Антенная система (решетка), построенная по методу CSA, отличается тем, что имеет большую широкополосность в область низких частот по сравнению с отдельным составляющим ее элементом. Метод включает размещение АЭ как в вертикальной (относительно экрана), так и в горизонтальной (взаимное) плоскостях, таким образом, чтобы расстояние между соседними АЭ не превышало половины наименьшей длины волны в рабочем диапазоне, что в свою очередь обеспечивает отсутствие побочных минимумов/максимумов диаграммы направленности (далее ДН) решетки. Система построена так, чтобы емкостная связь между АЭ обеспечивала согласование в нижней части рабочего диапазона антенной решетки там, где АЭ не обеспечивает (в виду своего малого электрического размера (произведение волнового числа (отношение 2π к длине волны) на половину максимального габаритного размера антенного элемента, составляет величину не более 0,5 [1] с.475) согласование с трактом. Недостатком известного метода является снижение коэффициента усиления (далее КУ) в отношении коэффициента полезного действия (далее КПД), вследствие запасания части энергии, подводимой к АЭ, в областях сильной емкостной связи.
Известна комбинированная «квазикарусельная» антенна (патент на изобретение RU2469448, МПК H01Q19/00, опубл. 10.12.2012 г.), содержащая 4 размещенных по периметру симметричных вибратора (АЭ) с центральным питанием, выполненных из двух квадратно-рамочных элементов с разомкнутыми проводниками в боковых углах и замкнутыми проводниками в верхних и нижних углах. Выполнение квадратно-рамочных АЭ выгнутыми относительно центральной точки окружности квадратно-рамочного полотна влечет за собой увеличение электрического радиуса решетки АЭ, что, в свою очередь, снижает верхнюю границу рабочего диапазона антенны. Выполнение АЭ в виде квадратно-рамочных элементов является диапазонным решением, что также ограничивает рабочую полосу антенны.
Известна антенна с отражателем (патент DE102005003685, МПК H01Q 9/28, опубл. 03.08.2006 г.), работающая в диапазоне от 180 до 600 МГц, принятая за прототип, содержащая, по меньшей мере, один отражатель и, по меньшей мере, один излучатель (антенный элемент), расположенный на некотором расстоянии от отражателя, при этом излучатель дипольный и состоит из двух обращенных друг к другу элементов, представляющих собой сечение трехосного эллипсоида. Таким образом, излучатели синфазные и обладают фиксированным фазовым центром. Наиболее благоприятный режим работы достигается при использовании восьми излучателей. Работа в широкой полосе частот обеспечена не только за счет широкополосного согласования излучателя, но и за счет взаимного размещения АЭ и расстояния между ними (для обеспечения должного электрического радиуса антенной решетки, требуемого для сохранения квазивсенаправленной формы диаграммы направленности (далее ДН)). Недостаток антенны заключается в том, что для достижения наиболее благоприятного режима работы необходимо использовать большое количество излучателей (восемь), что обуславливает снижение эффективности системы (мощность делится на 8 каналов) и относительно большой габаритный размер (согласно с.5 описания оптимальный размер антенной системы из восьми АЭ составляет около 800 мм, т.е. для частоты 180 МГц примерно 0,48 длины волны).
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в обеспечении широкой полосы рабочих частот при сохранении эффективности и малого габаритного размера.
Для достижения указанного технического результата способ построения всенаправленной кольцевой антенной решетки, при котором размещают АЭ с фиксированным фазовым центром таким образом, чтобы расстояние между фазовыми центрами соседних АЭ не превышало половины наименьшей длины волны в рабочем диапазоне и организуют связь между АЭ с обеспечением согласования кольцевой антенной решетки с фидерным трактом на наибольшей длине волны рабочего диапазона, заключается в том, что АЭ выбирают электрически полноразмерным (т.е. величина электрического размера больше 0,5 [2]), а связь между АЭ выполняют гальванической таким образом, что АЭ имеют общий неразрывный геометрический контур излучающей части, электрически удлинены (т.е. электрический размер увеличился) и в них установлен режим бегущей волны.
Указанный технический результат в антенне содержащей АЭ с фиксированными фазовыми центрами, образующие всенаправленную антенную решетку, при этом АЭ запитаны синфазно достигается за счет того, что каждый АЭ электрически соединен с соседним своим окончанием, АЭ выполнены в виде двухзаходных спиральных антенн и расстояние между фазовыми центрами АЭ не более половины наименьшей длины волны в рабочем диапазоне. АЭ могут быть выполнены в виде вогнутого эллипсоида. Для оптимального режима работы количество АЭ выбирается равным трем. Антенна может быть снабжена рефлектором.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведен общий вид антенны; на фиг.2 – пример конструкции, в состав которой входит антенна; на фиг. 3 – зависимость коэффициента перекрытия кольцевой антенной решетки от количества АЭ; на фиг. 4 – общий вид антенны, АЭ которой выполнены в виде вогнутых эллипсоидов; на фиг. 5 – форма ДН в азимутальной плоскости на частотах 300, 500 и 645 МГц; на фиг. 6 – форма ДН в азимутальной плоскости на частотах 1000, 1100 и 1200 МГц; на фиг.7 – график зависимости КСВ (коэффициента стоячей волны) антенны из изолированных и самонагруженных АЭ.
Антенна представляет собой синфазную эквидистантную кольцевую антенную решетку АЭ 1 с фиксированными фазовыми центрами (см. фиг. 1). Для обеспечения работоспособности антенна также может содержать делитель мощности и фидеры (на фиг. не показаны, фидеры могут быть исключены из конструкции при непосредственном подключении АЭ 1 к делителю мощности), либо антенна может содержать отдельные фидерные тракты (по количеству АЭ 1), которые подключаются к приемнику/передатчику. АЭ 1 запитаны синфазно и каждый АЭ 1 гальванически соединен своим окончанием с соседним. На фиг.1 также обозначена излучающая щель 2 АЭ 1 и микрополосковая линия 3. На фиг. 2 представлен пример конструкции на основе представленной антенны, в которой дополнительно введен диэлектрический каркас 4,  металлическое основание 5, металлическая крышка 6, радиопрозрачный кожух 7,  металлический корпус 8 и крепление к антенно-мачтовому устройству 9.
В качестве АЭ 1 могут быть использованы магнитные (щелевые) или электрические излучатели с фиксированными фазовыми центрами. В качестве конкретного примера реализации рассматривается антенна, включающая АЭ 1 в виде двухзаходных спиральных антенн (с круговой поляризацией).
Количество и взаимное расположение АЭ 1 определяют широкоплосность антенны в смысле сохранения квазивсенаправленной формы ДН в азимутальной плоскости. Причём широкополосность кольцевой антенной решетки ограничена не только широкоплосностью АЭ 1, а также взаимным удалением фазовых центров АЭ 1. Это обусловлено следующим:
Для сохранения круговой поляризации наибольшая длина волны рабочего диапазона связана с максимальным габаритным размером АЭ 1 следующим соотношением [5]:
(1)
где 2а – габаритный размер антенного элемента;
– длина волны, соответствующая нижней рабочей частоте антенны.
Верхнюю рабочую частоту (соответствующую наименьшей длине волны рабочего диапазона) ограничивает то, что с ростом частоты растёт и электрическое расстояние между фазовыми центрами АЭ 1, что в свою очередь вызывает организацию побочных максимумов/минимумов в азимутальной ДН и, следовательно, ухудшению ее равномерности. Согласно [3] расстояние между фазовыми центрами АЭ 1 не должно превышать половины длины волны, т.е. справедливо следующее выражение:
(2)
где R – электрический радиус кольцевой антенной решетки;
N – количество АЭ 1;
– длина волны, соответствующая верхней рабочей частоте антенны.
Из геометрических соображений радиус кольцевой антенной решетки определяется как
(3)
Соответственно коэффициент перекрытия рабочего диапазона, равный отношению наибольшей частоты диапазона рабочих частот к наименьшей частоте этого же диапазона, определяется следующим выражением:
(4)
где k – коэффициент перекрытия рабочего диапазона частот.
Согласно фиг. 3 (пунктирная линия) наибольший коэффициент перекрытия (соответствующий наиболее широкому диапазону рабочих частот антенны) обеспечен при количестве АЭ 1 равным трём. Одновременно при всенаправленной работе эквивалентная излученная в пространство мощность окажется наибольшей при наименьшем количестве АЭ 1. Наибольший коэффициент усиления при сохранении квазивсенаправленной ДН кольцевая антенная решетка будет иметь при наименьшем количестве элементов. Как показывают расчет и натурные эксперименты два АЭ 1 не обеспечивают достаточную равномерность ДН и сохранение круговой поляризации всей кольцевой антенной решетки. Таким образом, наибольший коэффициент усиления при сохранении квазивсенаправленной ДН антенны будет обеспечен при выборе количества АЭ 1 равным трём.
При достижении минимума АЭ 1 их четное или нечетное количество определяет широкополосность по критерию всенаправленности ДН. Форма ДН в азимутальной плоскости может быть определена согласно (5) [4]:
<mrow><mi>F</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>φ</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><msup><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mi>e</mi></mstyle></mrow><mrow><mi>i</mi><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow><mi>λ</mi></mfrac><mi>R</mi><mi>cos</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>φ</mi><mo>−</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>n</mi></mrow><mi>N</mi></mfrac><mo stretchy="false">)</mo></mrow></msup></mrow>
(5)
где F(φ) – ненормированная ДН эквидистантной кольцевой антенной решетки по азимутальному углу φ;
n = 1, …, N – порядковый номер АЭ;
λ – рабочая длина волны.
Вычисленные значения коэффициента перекрытия (нижняя граница рабочего диапазона выбрана согласно (1), верхняя из условия сохранения равномерности (неравномерность не более 3 дБ) ДН, определенной (5)) приведены на фиг. 3 сплошной линией.
Анализ фиг. 3 (сплошная линия) показывает, что наибольший коэффициент перекрытия соответствует нечетному количеству АЭ 1 (поскольку при четном количестве АЭ 1 и их эквидистантном размещении в кольцевой антенной решетке количество противофазных векторов напряженности поля одинаково и они компенсируют друг друга, для нечетного же количества АЭ 1 остается некомпенсированный вектор напряженности поля).
На основании вышеизложенного количество АЭ 1 должно быть минимальным и нечетным для обеспечения наибольшей широкополосности при сохранении квазивсенаправленной формы ДН антенны, что подтверждается проведенными исследованиями, результаты которых приведены на фиг. 5, 6.
Каждый АЭ 1 является самонагруженным, т.е. своим окончанием связан гальванически с соседним АЭ 1, что обеспечивает не только электрическое удлинение АЭ 1, но и режим бегущей волны в элементе для низкочастотной области рабочего диапазона частот, что в свою очередь расширяет нижнюю границу последнего. Это позволяет уменьшить габаритный размер АЭ 1, уменьшить электрический радиус решетки, и тем самым увеличить верхнюю частоту рабочего диапазона антенны.
Диэлектрический каркас 4 служит для обеспечения жесткости конструкции. Металлическая крышка 6 и металлическое основание 5 используются для экранирования сигнала, отраженного от подстилающей поверхности и других близ расположенных металлических конструкций. Радиопрозрачный кожух 7 служит для защиты от воздействующих факторов окружающей среды. В металлическом корпусе 8 может быть размещен делитель мощности или фидерные тракты. Крепление к антенно-мачтовому устройству 9 позволяет установить антенну на объекте.
На фиг.7 сплошной линией изображен график зависимости КСВ решетки самонагруженных АЭ от частоты, линией с точками изображен график зависимости КСВ решетки изолированных АЭ от частоты. Согласно опытным данным и анализа фиг.7 примененный в изобретении, принцип самонагружения АЭ 1 позволяет расширить рабочий диапазон в область низких частот примерно в 1,2 раза.
Для большего сближения фазовых центров и увеличения верхней частоты рабочего диапазона, форму АЭ 1 выбирают вогнутой (например, в виде эллипсоида) (см. фиг. 4).
Для повышения коэффициента усиления в состав антенны может входить рефлектор (размещенный в центре кольцевой антенной решетки).
Антенна работает следующим образом.
В качестве примера будет рассмотрена антенна, содержащая делитель мощности и фидеры. Синфазное доведение сигнала от передатчика до АЭ 1 обеспечено делителем мощности и фидерами. Количество фидеров и выходов делителя мощности соответствует количеству АЭ 1. Делитель мощности разделяет сигнал от передатчика и через фидеры разделенные равноамплитудные и синфазные сигналы поступают к АЭ. Принцип работы АЭ 1 основан на построении его как квазисамодополнительной двухзаходной спиральной щелевой антенны с фидерным устройством в виде микрополосковой линии 3 переменной ширины. Каждый АЭ 1 имеет гальваническую связь с соседним АЭ 1 (за счет общего непрерывного контура излучающей щели 2), что обеспечивает не только электрическое удлинение АЭ 1, но и режим бегущей волны в элементе для низкочастотной области рабочего диапазона частот. При подаче сигнала на вход АЭ 1 микрополосковые линии 3 возбуждают излучающие щели 2 АЭ 1. При этом формируется квазивсенаправленная ДН, определяемая равноамплитудным и синфазным распределением сигнала, эквидистантным размещением АЭ 1 и выбором их количества.
На основе предложенного решения был изготовлен опытный образец с плоскими квадратными АЭ 1 печатного исполнения с размером стороны 270 мм (0,27 наибольшей длины волны рабочего диапазона), обеспечивающий работу в диапазоне от 300 до 1100 МГц (см. фиг. 5,6,7).
Способ построения всенаправленной кольцевой антенной решетки осуществляется следующим образом.
На первом этапе выбирают тип АЭ 1 с фиксированным фазовым центром. В качестве АЭ 1 могут быть использованы как магнитные, так и электрические излучатели, как дипольные, так и спиральные или иные. Выбор типа АЭ 1 производят исходя из его собственной направленности, коэффициента усиления и для обеспечения квазивсенаправленной формы ДН решетки. АЭ 1 выбирают электрически полноразмерным (2πa/λ>0.5 ([1] c.476])) для сохранения высокого КПД и круговой поляризации в области низких частот рабочего диапазона.
Для обеспечения квазивсенаправленная формы ДН антенны в азимутальной плоскости АЭ 1 размещают таким образом, чтобы расстояние между фазовыми центрами не превышало половины длины волны в рабочем диапазоне (и, соответственно, электрический радиус решетки удовлетворял выражению (3)).
Количество АЭ 1 выбирают минимальным и определяют исходя из необходимого коэффициента усиления антенны (для обеспечения наибольшего КПД и в зависимости от типа АЭ 1). Для увеличения верхней частоты рабочего диапазона количество АЭ 1 выбирают нечетным.
Выполняют гальваническую связь между каждыми соседними АЭ 1, так, что АЭ 1 имеют общий неразрывный геометрический контур излучающей части, что обеспечивает электрическое удлинение АЭ 1 и режим бегущей волны, что, в свою очередь, расширяет нижнюю границу рабочего диапазона частот при сохранении эффективности.
Для уменьшения электрического радиуса решетки и соответствующего дополнительного расширения верхней границы рабочего диапазона частот форму АЭ 1 выбирают вогнутой (например, в виде эллипсоида (см. фиг.4)).
Далее каждый АЭ 1 подключают к источнику/приемнику энергии (например, к передатчику/приемнику), например, при помощи делителя мощности с фидерами или при помощи отдельных фидерных трактов и осуществляют прием/передачу сигналов.
Таким образом, представленный способ построения всенаправленной кольцевой антенной решетки и построенная на его принципе антенна позволяют обеспечить широкую полосу рабочих частот при сохранении эффективности и малого габаритного размера.
Источники информации:
1. Constantine A. Balanis Modern antenna handbook. – Published by John Wiley & Sons, Inc., 2008 г.
2. «Handbook of antenna technologies» Published by Zhi Ning Chen – Springer reference 2016-3473p. с. 198, 201.
3. Кочержевский Г.Н., Ерохин Г.А., Козырев Н.Д. Антенно-фидерные устройства: учебник для вузов. – М.: Радио и связь, 1989 г.
4. Коротковолновые антенны. Айзенберг Г.З., Белоусов С.П., Журбенко Э.М., Клитер Г.А., Курамов А.Г. Под редакцией Г.З.Айзенберга – 2-е, перераб. И доп. – М.: Радио и связь, 1985 г.
5. Юрцев О.А., Рунов А.В., Казарин А.Н. Спиральные антенны. – М.: Сов. Радио, 1974 г.