АНТЕННА
ANTENNA

Настоящее изобретение относится к антенне в соответствии с ограничительной частью п.1 формулы изобретения.
В настоящее время известны несколько типов антенн, которые могут быть классифицированы в соответствии с множеством свойств, таких как возможность принимать сигнал с линейной или круговой поляризацией.
Обычно антенна содержит три основных элемента: излучатель, который генерирует электромагнитное поле, то есть радиосигнал, передаваемый антенной, рефлектор и один или больше директоров, которые модифицируют такое поле для того, чтобы сделать антенну более направленной.
Антенны типа «волновой канал» позволяют обеспечить прием и передачу линейно-поляризованных электромагнитных полей; эти антенны оборудованы излучателем, выполненным с возможностью генерировать такое поле (например, полуволновой вибратор или петлевой симметричный вибратор), и директорами линейной формы (обычно металлическими стержнями), выполненными с возможностью принимать линейную поляризацию, то есть линейно-поляризованное электрическое поле.
Антенны такого типа известны из заявки на патент GB 2406971, в которой описаны антенны, директоры которых представляют собой металлические стержни, уложенные на стреле антенны, или Х-образные элементы с металлическими стержнями, вставленными в диэлектрический корпус и выступающими из него в виде перекрещивающейся структуры.
Вместо этого директорные петлевые антенны могут принимать радиоволны, имеющие эллиптическую или круговую поляризацию, и отличаются кольцевым излучателем и директорами, имеющими круглое поперечное сечение.
При одинаковом количестве директоров, мощности, подаваемой к излучателю, и длине антенны этот второй тип антенны обычно является более направленным и обеспечивает большую полосу пропускания, чем антенны типа «волновой канал».
Однако директорные петлевые антенны имеют недостаток, состоящий в том, что нет возможности различать горизонтально и вертикально поляризованные радиосигналы.
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить антенну, которая представляет собой альтернативу известному уровню техники.
В частности, основная цель настоящего изобретения состоит в улучшении направленности и коэффициента усиления известных антенн для приема линейно-поляризованных сигналов. Эти цели достигаются благодаря антенне, в которой воплощены свойства, представленные в приложенных пунктах формулы изобретения, которые представляют собой неотъемлемую часть настоящего описания.
Настоящее изобретение основано на идее использования излучателя, который позволяет генерировать и принимать линейно-поляризованное электромагнитное поле (то есть радиосигнал), и использования директоров, выполненных с возможностью принимать электромагнитное поле, имеющее эллиптическую или круговую поляризацию.
Директоры имеют корпус, который выполнен электропроводным в пределах рабочей частоты антенны; с целью приема круговой поляризации упомянутый электропроводный корпус выполнен таким, что его проекция на плоскость, ортогональную направлению максимального усиления антенны, охватывает ограниченный участок упомянутой плоскости.
Например, упомянутая проекция может представлять собой кольцо (имеющее круговую или эллиптическую форму) или, в более общем случае, фигуру, которая замыкается по меньшей мере в одной точке, такую как петля.
Тесты, выполненные Заявителем, показали фактически, что директоры такого типа увеличивают коэффициент усиления антенны, даже если излучатель используется для генерирования или приема линейно-поляризованного электромагнитного поля.
Предпочтительно элемент директора антенны может содержать винтообразный элемент с осью вращения спирали, параллельной или совпадающей с направлением максимального усиления антенны. Такое решение обеспечивает преимущество, состоящее в том, что процесс сборки антенны упрощается, и антенна получается механически более прочной.
Другие цели и преимущества настоящего изобретения будут понятны из следующего описания и из приложенных чертежей, которые представлены в качестве неограничительного примера, на котором:
на фиг.1 показаны два вида в перспективе антенны в соответствии с первым вариант осуществления настоящего изобретения;
на фиг.2а и 2b показаны два примера излучателей, которые можно использовать в антенне по фиг.1;
на фиг.3a-3d показаны некоторые возможные формы директора антенны в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг.4 показана антенна в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг.5a-5i показаны некоторые возможные формы рефлекторной решетки антенны в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг.6 показана антенна в соответствии с третьим вариантом осуществления
настоящего изобретения;
на фиг.7 показана группа антенн, содержащая две антенны, в соответствии с
настоящим изобретением.
На фиг.1 показана антенна 1 в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.
Антенна 1 разработана с возможностью принимать и передавать линейно-поляризованные радиосигналы в пределах диапазона UHF.
Антенна 1 содержит опорный элемент 2, который в примере, показанном на фиг.1, представляет собой стержень (называемый "стрелой" в этой области техники), на который установлен излучатель 3, директоры 4 и рефлектор 5.
На антенне 1 также предусмотрено крепление 6, с помощью которого она может быть установлена на мачте 7.
В примере, показанном на фиг.1, излучатель 3, показанный на фиг.2а, представляет собой биконический вибратор и может генерировать и принимать линейно-поляризованные радиосигналы.
Излучатели такого типа, как показано на фиг.2а, представляют собой, например, излучатели, устанавливаемые в антеннах BLU420F, поставляемых компанией Fracarro Radioindustrie S.p.А, и содержат проводник 31, типично металлический стержень или пластину, которые изогнуты так, что формируется, например, двойная нитевидная структура, напоминающая биконическую структуру.
На излучателе 3 также установлено симметрирующее устройство внутри корпуса 32, которое позволяет адаптировать импеданс излучателя 3 к импедансу коаксиального кабеля, с помощью которого антенна будет подключена, то есть через разъем F, обозначенный позицией 33.
С помощью такого симметрирующего устройства антенна принимает сигнал переменного напряжения, который затем передается в проводник 31, где распределение меняющегося по времени заряда формируется таким образом, чтобы генерировать линейно-поляризованное электромагнитное поле, то есть передаваемый радиосигнал.
И, наоборот, когда антенну используют при приеме, принимаемое электромагнитное поле формирует в проводнике 31 переменное по времени распределение заряда, то есть ток, который затем передается в коаксиальный кабель через симметрирующее устройство.
На излучателе 3 также предусмотрено крепление 34 для его соединения со стрелой 2 антенны.
Выбор излучателя не является ограничительным, если излучатель выполнен с возможностью генерировать и принимать сигнал линейно-поляризованный; поэтому другие типы излучателей также можно использовать, такие как показанный на фиг.2b. На фиг.2b показан изогнутый излучатель, в котором проводник 31 представляет собой стержень, изогнутый таким образом, что формируется профиль типа "бабочка". Излучатели такого типа устанавливают, например, в антеннах TAU15/45, поставляемых компанией Fracarro Radioindustrie S.p.A.
Хотя антенна 1 разработана для приема и передачи линейно-поляризованных радиосигналов, директоры 4 также могут принимать радиосигналы, электромагнитное поле которых имеет круговую или эллиптическую поляризацию (в дополнение к линейно-поляризованным сигналам).
Как известно, в случае полей, имеющих круговую или эллиптическую поляризацию, электрическое поле может быть разделено на два смещенных ортогональных (горизонтальный и вертикальный) векторных компонента, так что направление получаемого в результате поля изменяется во времени.
Каждый директор 4, выполненный с возможностью принимать поля, имеющие круговую или эллиптическую поляризацию, может, таким образом, принимать оба компонента получаемого в результате электрического поля в любой момент времени.
В примере, показанном на фиг.1, антенна содержит шесть директоров 4, каждый из которых состоит из круглого металлического кольца.
Каждый директор 4 закреплен на стреле 2 с помощью диэлектрического крепежного элемента 41, который в примере на фиг.1 удерживает стрелу 2 в пределах области, определенной контуром директора 4.
В качестве альтернативы, директор 4 может быть установлен таким образом, чтобы стрела оставалась за пределами области, определенной контуром директора 4.
Обычно директоры 4 устанавливают таким образом, чтобы их геометрические центры были выровнены вдоль оси, соответствующей направлению максимального усиления антенны.
Крепежный элемент 41 предпочтительно содержит зажим, который обеспечивает простоту его крепления на стреле и который можно впоследствии затянуть, например, с помощью винта.
Как известно, положение директоров 4 на стреле 2 зависит от значений коэффициента усиления и потерь на отражение, которые должны быть получены в антенне 1, а размеры директоров строго взаимосвязаны с частотной полосой принимаемой антенной 1.
Для антенны, которая должна принимать сигналы в полосе UHF (470-862 МГц), директоры предпочтительно могут состоять из круговых колец, имеющих диаметр приблизительно 10 см, расположенных на расстоянии приблизительно 10 см друг от друга, при этом излучатель расположен на расстоянии приблизительно 20 см от рефлектора и приблизительно 5 см от ближайшего директора.
В примере, показанном на фиг.1, антенна выполнена с возможностью принимать сигналы в полосе UHF; при этом компоновка элементов вдоль стрелы была оптимизирована следующим образом:
1
- излучатель 3 расположен на расстоянии d 20 см от точки, где рефлектор 5 (двугранного типа) установлен на стреле 2,
2
- первый директор расположен на расстоянии d 5 см от излучателя,
3
- второй директор расположен на расстоянии d 11 см от первого директора,
4
- третий директор расположен на расстоянии d 8 см от второго директора,
5
- четвертый директор расположен на расстоянии d 9 см от третьего директора,
6
- пятый директор расположен на расстоянии d 9 см от четвертого директора,
7
- шестой директор расположен на расстоянии d 9 см от пятого директора.
Используя эти директоры, имеющие диаметр 10 см, антенна, оптимизированная таким образом, имеет направление максимального усиления, которое соответствует продольной оси стрелы; в полосе UHF, представляющей интерес, она имеет коэффициент усиления от 12 дБ (на частоте 470 МГц) до 15 дБ (на частоте 862 МГц) и обратные потери ниже -14 дБ во всей полосе пропускания.
Хотя в примере, показанном на фиг.1, директоры состоят из круговых металлических колец, эта форма не рассматривается как ограничительная; фактически также возможны другие формы, как показано в качестве примера на фиг.3a-3d.
Во всех случаях для приема сигналов с круговой поляризацией в пределах заданного частотного диапазона директор содержит по меньшей мере один корпус, который выполнен электропроводным в пределах этой полосы пропускания, и имеет такую форму, что проекция упомянутого корпуса на плоскость, ортогональную направлению максимального усиления излучателя, включает ограниченный участок упомянутой плоскости.
Директор 4, таким образом, может иметь винтовую форму, как показано на фиг.3а, и может предпочтительно быть установлен на стреле таким образом, что ось спирали располагается параллельно или совпадает с направлением максимального усиления антенны.
Таким образом, получают кольцо, когда спираль, установленную таким образом, проецируют на плоскость, ортогональную направлению максимального усиления, то есть фигуру, которая охватывает участок плоскости.
Если спираль имеет наклонную ось, не ортогональную к оси максимального усиления, проекция спирали на плоскость, ортогональную направлению максимального усиления, будет представлять собой кривую, содержащую последовательность петель, соединенных друг с другом, причем каждая петля имеет форму, которая охватывает ограниченный участок плоскости.
В альтернативном варианте осуществления директор 4 может иметь форму многоугольника, например шестиугольника (фиг.3b) или восьмиугольника (фиг.3с).
Кроме того, в другом варианте осуществления директор 4 может иметь эллиптическую форму (фиг.3d).
Предпочтительно углы директора (если имеются, например, на фиг.3b и 3с), закруглены.
Директор 4 предпочтительно состоит из металлического корпуса, выполненного из одной детали, например, в виде цилиндра из листового металла или металлического стержня.
В качестве альтернативы, директор 4 может состоять из множества металлических элементов, сваренных вместе или соединенных с помощью, например, металлических зажимов.
Директор 4, в качестве альтернативы, также может включать в себя изолирующий сердечник (например, изготовленный из пластика), имеющий металлическое покрытие (например, алюминиевую фольгу).
Электропроводный корпус также может содержать конденсатор, например конденсатор с плоскими пластинами, который представляет собой замкнутую цепь в полосе частот, в которой работает антенна. Таким образом, корпус является электропроводным в полосе частот, представляющей интерес, даже если его участок содержит диэлектрический материал.
Если директор 4 выполнен как замкнутое кольцо, как показано на фиг.3b-3d, тогда он предпочтительно установлен так, что он располагается, например, в плоскости, ортогональной направлению максимального усиления антенны.
Кроме того, директоры, установленные на одной стреле, предпочтительно расположены так, что их геометрические центры выровнены вдоль оси, которая расположена параллельно направлению максимального усиления антенны, улучшая, таким образом, коэффициент усиления антенны.
Рефлектор 5 антенны может быть либо двугранным (как показано на фиг.1), или плоским.
В примере на фиг.1 рефлектор 5 имеет структуру, состоящую из двух металлических решеток 51, расположенных с противоположных сторон стрелы так, что они соответствуют плоскостям угла между двумя гранями. Решетки установлены на опорной структуре 52, которая содержит соответствующие пазы 53, в которые они вставлены. При установке на структуре 52 решетки 51 формируют угол θ 60° с горизонтальной плоскостью, то есть в направлении максимального усиления излучателя 3 по фиг.1.
Пример антенны, имеющей плоский квадратный рефлектор, показан на фиг.4, на которой теми же позициями, что и на фиг.1, обозначены идентичные или эквивалентные элементы.
Антенна на фиг.4 имеет излучатель 3 в виде петлевого симметричного вибратора (фиг.2b), используемый как замена излучателя в виде биконического вибратора по фиг.1, и плоский рефлектор, состоящий из одной решетки 51, установленной вертикально, то есть перпендикулярно направлению максимального усиления излучателя.
В качестве альтернативы плоский рефлектор может быть получен с использованием двух или больше решеток, расположенных на противоположных сторонах относительно стрелы и находящихся в одной плоскости, ортогональной ей.
На фиг.5a-5f показаны некоторые возможные варианты выполнения решетки 51 (плоского или двугранного) рефлектора, который можно использовать в антенне в соответствии с настоящим изобретением; более подробно:
- на фиг.5а решетка 51 имеет эллиптическую форму;
- на фиг.5b решетка 51 имеет восьмиугольную форму;
- на фиг.5с решетка 51 имеет шестиугольную форму;
- на фиг.5d решетка 51 имеет круглую форму;
- на фиг.5е решетка 51 имеет пятиугольную форму;
- на фиг.5f решетка 51 имеет прямоугольную форму.
Независимо от того, является ли рефлектор плоским или двугранным, он может быть в виде решетки, полностью состоящей из металлических элементов, расположенных в виде структуры с перекрестиями (как показано на фиг.5a-5f), или она может также содержать диэлектрические элементы.
В примерах, показанных на фиг.5g-5i (так называемое "трубчатое" решение), решетка 51 состоит из множества (сплошных или полых) металлических стержней 54, установленных параллельно друг другу на структуре, содержащей металлическую центральную стойку 55 и две боковые стойки 56, изготовленные из металлического или диэлектрического материала.
Количество, размеры и промежутки между стержнями можно изменять для улучшения направленности и коэффициента усиления антенны; в примере, показанном на фиг.5g, решетка рефлектора может содержат семь стержней; на фиг.5h используется пять стержней; на фиг.5i используются три стержня.
В примерах, показанных на фиг.5g-5i, решетка выполнена более плотной (то есть стержни расположены ближе друг к другу) на участке (нижний участок на этих чертежах), который располагается ближе к стреле в установленном положении; это обеспечивает улучшение соотношения между излучением антенны вперед и назад.
В то время как на фиг.5g и 5h боковые стойки 56 состоят из металлических пластин, на фиг.5i боковые стойки 56 выполнены в форме диэлектрических корпусов, в которых установлены стержни 53.
Преимущества настоящего изобретения очевидны из приведенного выше описания, поэтому понятно, что множество изменений могут быть выполнены в нем специалистом в данной области техники без выхода за пределы объема притязаний настоящего изобретения.
Например, антенна может содержать множество директоров, имеющих разную форму (например, спиральную и круговые кольца), установленных на одном или нескольких опорных элементах.
Директоры, установленные на одном стержне, даже когда они имеют разную форму, предпочтительно выровнены так, чтобы их соответствующие центры были выровнены вдоль оси, которая совпадает с направлением максимального усиления антенны или расположена параллельно этому направлению.
Кроме того, излучатель может представлять собой любое устройство, выполненное с возможностью генерирования и приема линейно-поляризованного электромагнитного поля, например, он может содержать пару проводников, расположенных симметрично в виде V-образной структуры (это решение известно как антенна типа двойного-V или веерная антенна), для получения двух полуволновых симметричных вибраторов.
Кроме того, излучатель 3 может не быть установлен непосредственно на стреле. Этот случай представляет, например, антенна, показанная на фиг.6, в которой один излучатель 3 размещен между двумя стрелами 2а и 2b, на каждой их которых установлены соответствующие директоры 4а и 4b, количество которых составляет десять на стрелу в примере, показанном на фиг.6.
Излучатель 3 на фиг.6 установлен таким образом, что направление максимального усиления представляет собой прямую линию, параллельную обеим стрелами 2а и 2b.
Антенна на фиг.6 содержит один рефлектор 5 соответствующих размеров, так что он закрывает излучатель 3, а также обе стрелы 2а и 2b; рефлектор 5 выполнен как рефлектор двугранного типа, в котором две решетки 51 установлены на двух опорных структурах 52а и 52b, которые предусмотрены на обеих стрелах 2а и 2b.
Для установки стрел в требуемое положение так, чтобы они одновременно поддерживали излучатель 3, антенна по фиг.6 содержит три диэлектрических поперечины 8, 9 и 10, которые удерживают стрелы 2а и 2b параллельно друг другу.
На поперечине 9 установлен излучатель 3, поперечина 10 соединяет стрелы с мачтой 7 через крепление 61, а поперечина 8 укрепляет общую структуру антенны, предотвращая любое относительное перемещение между двумя стрелами 2а и 2b, то есть вызванное ветром.
Кроме того, можно видеть, что описанное выше изобретение также применимо для группы антенн, что означает набор антенн, имеющих общий рефлектор.
Пример группы антенн показан на фиг.7, в котором группа содержит две антенны, в каждой из которых предусмотрен собственный излучатель 3а и 3b, а директоры 4а и 4b установлены на двух соответствующих стрелах 2а и 2b.
В группе, показанной на фиг.7, используется один рефлектор 5, который является общим для обеих антенн.