Компактная вертикальная антенная решетка круговой направленности на основе волновых разрезных вибраторов
CIRCULAR COMPACT VERTICAL ANTENNA ARRAY BASED ON SPLIT WAVE VIBRATORS

Изобретение относится к области радиотехники и может быть применено в системах передачи/приема сигналов при необходимости увеличения зон покрытия (обслуживания) за счет повышения мощности излучения передающего устройства или чувствительности по полю приемного устройства, в том числе в системах сотовой, транкинговой связи, в составе базовых и диспетчерских станций, для построения ретрансляторов (репитеров) среднего и большего радиуса действия, а также в системах другого назначения.
Для обеспечения больших зон покрытия (обслуживания) часто применяются антенные решетки, обеспечивающие большое усиление.
Известна компактная вертикальная антенная решетка (КВАР) [1], содержащая несущую металлическую опору в форме трубы, на которой расположены N вертикальных вибраторов; верхнее и нижнее плечи каждого вибратора выполнены в виде соосных опоре металлических цилиндров, электрически соединенных с опорой в верхних частях и образующих внешними поверхностями плечи вибраторов, а внутренними поверхностями совместно с опорой коаксиальные резонаторы.
В [1] представлены несколько вариантов КВАР с различной длиной вибраторов – от полуволновых до волновых. Наибольшим усилением из всех вариантов обладают волновые вибраторы, что предопределяет предпочтительность их использования при необходимости увеличения зон обслуживания (дальности действия) в системах связи или системах другого назначения. Каждый из волновых вибраторов состоит из верхнего и нижнего плеча с длиной близкой к половине длины волны. Для разделения смежных вибраторов, изоляции точек питания и плеч вибраторов от металлической опоры по высокой частоте в средней части каждого металлического цилиндра устанавливается перемычка, выполненная в виде металлического кольца или шайбы. Возбуждение такого вибратора осуществляется бикоаксиальным фидером, представляющим собой пару противофазно возбуждаемых коаксиальных фидеров.
Данное конструктивное решение КВАР из волновых вибраторов имеет следующие недостатки:
- соосные опоре металлические цилиндры имеют достаточно большие поперечные размеры – их диаметр, по крайней мере, в два раза превышает диаметр опоры;
- использование в конструкции перемычек, введение дополнительных незапитываемых коаксиальных резонаторов для улучшения развязывающего эффекта с опорой по высокой частоте, а также компенсации торцевой емкости резонаторов приводит к усложнению технологии изготовления, увеличению продольных (вертикальных) габаритов КВАР и возрастанию ее массы;
- необходимость применения дополнительной технологической оснастки в процессе изготовления КВАР для обеспечения прочности конструкции и жесткости соединения металлических цилиндров, образующих верхнее и нижнее плечи вибраторов, с несущей металлической опорой и металлическими перемычками;
- необходимость создания в перемычках специальных дренажных отверстий для удаления конденсата, образующегося в чашеподобных резонаторах, что увеличивает трудоемкость изготовления;
- использование бикоаксиальных фидеров для возбуждения волновых вибраторов и их размещение внутри металлической опорной трубы – несущей конструкции КВАР – требует увеличения ее диаметра или ограничения количества вибраторов по сравнению с вариантом использования обычных коаксиальных фидеров.
Целью предлагаемого изобретения является разработка компактной вертикальной антенной решетки круговой направленности, обеспечивающей большое усиление и обладающей небольшими габаритами и массой, технологичной при изготовлении.
Техническое решение состоит в том, что компактная вертикальная антенная решетка круговой направленности на основе волновых разрезных вибраторов содержит несущую опору в форме трубы, на которой расположены друг над другомN вертикальных вибраторов, имеющих верхнее и нижнее плечи с электрической длиной в половину длины волны, а внутри проходятся N коаксиальных фидеров,при этом несущая опора выполнена из диэлектрического материала, N вертикальных разрезных вибраторов размещены непосредственно на несущей опоре друг над другом, при этом внешний диаметр опоры соответствует внутреннему диаметру металлических трубок, из которых изготовлены вибраторы, каждый коаксиальный фидер подключен к одному из вибраторов через устройство симметрирования и согласования волнового сопротивления фидера и входного сопротивления вибратора, представляющее собой модифицированное U-колено в виде полуволновой петли из коаксиального кабеля, свернутого в виде спирали и размещенного между плечами.
Использование в качестве несущей опоры трубы из диэлектрического материала обеспечивает развязку вибраторов друг от друга.
Малая торцевая поверхность трубок, из которых изготовлены вибраторы, минимизирует эффект влияния торцевой емкости.
Устройство симметрирования и согласования для волнового вибратора в виде полуволновой петли обеспечивает симметричное возбуждение такого вибратора при питании от несимметричного коаксиального фидера. Кроме того, полуволновая петля обладает свойством трансформации сопротивлений и обеспечивает понижение высокого входного сопротивления волнового вибратора в 4 раза [2, 3] до значений, близких к значениям волновых сопротивлений наиболее распространенных коаксиальных кабелей. В результате минимизируются потери, и обеспечивается высокий коэффициент полезного действия вибратора.
Параллельное питание волновых разрезных вибраторов, входящих в состав КВАР, обеспечивает высокое усиление при круговой диаграмме направленности.
Пространственное совмещение вибраторов с несущей опорой и компактность устройств симметрирования и согласования обеспечивают малые габариты КВАР на основе волновых разрезных вибраторов и устраняют необходимость удаления конденсата, что актуально для чашеподобных резонаторов, используемых в конструкции [1].
Сущность изобретения и конструктивные особенности КВАР на основе волновых разрезных вибраторов поясняются рисунками.
На фиг. 1 приведена схема общей конструкции КВАР на основе волновых разрезных вибраторов (выделена штриховой линией в виде прямоугольника), на фиг. 2 приведена схема устройства симметрирования и согласования (УСС) волнового вибратора, на фиг. 3 приведены теоретически рассчитанные диаграммы направленности в вертикальной плоскости, характеризующие усиление КВАР на основе волновых разрезных вибраторов (в децибелах относительно изотропного излучателя).
Компактная вертикальная антенная решетка круговой направленности на основе волновых разрезных вибраторов состоит из следующих элементов (фиг. 1):
- несущей опоры 1, представляющей собой трубу из диэлектрического материала, например, труба из ПВХ или – для повышения прочности конструкции – труба из ПВХ, армированная стекловолокном;
- волновых разрезных вибраторов 2.1, 2.2, …, 2.N (где N – число вибраторов), выполненных из металлических трубок (из меди, латуни и т.п.) с внутренним диаметром, соответствующим внешнему диаметру несущей опоры 1; вибраторы 2.1, 2.2, …, 2.N идентичны друг другу, геометрическая длина каждого из них соответствует длине волны с учетом коэффициента укорочения волнового вибратора;
- идентичных устройств симметрирования и согласования 3.1, 3.2, …, 3.N, размещаемых на несущей опоре между плечами волновых вибраторов 2.1, 2.2, …, 2.N.
Каждый волновый разрезной вибратор 2.n (n=1, 2, …, N) имеет два плеча 2.n.1 и 2.n.2 одинаковой длины, пропорциональной половине длины волны и определенной с учетом коэффициента укорочения волнового вибратора.
Внутри несущей опоры проходят коаксиальные фидерные линии 4.1, 4.2, …, 4.N, каждая из которых с одной стороны подключается к одному из волновых вибраторов, а с другой стороны к соответствующему каналу формирования/приема сигнала 5.1, 5.2,…5.N.
Устройство симметрирования и согласования 3.n волнового разрезного вибратора 2.n (фиг. 2) представляет собой модифицированное U-колено в виде полуволновой петли – отрезка коаксиального кабеля 3.n.1 с электрической длиной в половину длины волны, свернутого в виде спирали и размещенного между плечами 2.n.1 и 2.n.2 на несущей опоре 1.
Центральный проводник полуволновой петли 3.n.1 с одной стороны соединяется с плечом 2.n.1 волнового разрезного вибратора 2.n; с другой стороны центральный проводник полуволновой петли 3.n.1 соединяется со вторым плечом 2.n.2 этого вибратора и центральным проводником фидерной линии 4.n, проходящей внутри несущей опоры 1 и выходящей наружу через отверстие в ее в стенке. Концы внешнего проводника коаксиального кабеля, из которого изготовлена полуволновая петля 3.n.1, соединяются друг с другом и внешним проводником фидера 4.n перемычкой 3.n.2.
Для изготовления УСС в передающей антенне целесообразно использовать радиочастотные коаксиальные кабели типов РК 50-2-25, РК 50-1,5-22 и им подобные, внешний проводник которых выполнен в виде цельнотятутой трубки. Такие кабели обеспечивают малый радиус изгиба при монтаже (до 4 – 5 мм) при допустимой подводимой мощности в дециметровом диапазоне до 80 – 250 Вт. Для приемных антенн могут быть использованы более дешевые радиочастотные коаксиальные кабели небольшого сечения с внешним проводником в виде оплетки из проволок и т.п., обладающие малым радиусом изгиба при монтаже.
Описанная конструкция УСС компактна, обладает малой массой, технологична при изготовлении. С позиций симметрирования и согласования обладает теми же свойствами, что и обычное U-колено: за счет инвертирования фазы сигнала обеспечивает подключение несимметричной фидерной линии к симметричному волновому разрезному вибратору и согласование волнового сопротивления фидерной линии и входного сопротивления волнового разрезного вибратора при минимуме вносимых потерь, за счет чего достигается высокий коэффициент полезного действия.
С увеличением количества N волновых разрезных вибраторов в составе КВАР и синфазном их возбуждении диаграмма направленности в вертикальной плоскости сужается, за счет чего повышается направленность антенны и возрастает усиление. В азимутальной плоскости диаграмма направленности остается круговой при любом количестве волновых разрезных вибраторов в ее составе.
На фиг. 3 приведены теоретически рассчитанные для КВАР из волновых разрезных вибраторов, предназначенных для работы в диапазоне 900 МГц, диаграммы направленности в вертикальной плоскости, характеризующие усиление КВАР в децибелах относительно изотропной антенны:
- штриховая линия соответствует двухэлементной КВАР, содержащей два волновых разрезных вибратора;
- штрихпунктирная линия – четырехэлементной КВАР, содержащей четыре волновых разрезных вибратора.
Для сравнения на фиг. 3 в виде сплошной линии приведена диаграмма направленности в вертикальной плоскости одиночного волнового вибратора.
Габариты предлагаемой конструкции КВАР меньше габаритов конструкции [1]. Поперечные габариты КВАР на основе волновых разрезных вибраторов не более чем на 10–15% превышают диаметр несущей опоры 1, в то время как в конструкции [1] это превышение составляет не менее 100%. Замена металлической несущей опоры в конструкции [1] на несущую опору из диэлектрического материала в предлагаемой конструкции обеспечивает развязку между вибраторами без использования дополнительных незапитываемых резонаторов или перемычек, применяемых в конструкции [1].
Для защиты от климатических и механических воздействий предлагаемая конструкция КВАР на основе волновых разрезных вибраторов помещается в герметичный корпус, представляющий собой трубу из диэлектрического материала с заглушкой в верхней части (на фиг. 1 труба и заглушка не показаны).
Меньшие поперечные габариты предлагаемой КВАР позволяют использовать для такой защиты изолирующую диэлектрическую трубу меньшего диаметра, чем в конструкции [1], что также снижает массогабаритные характеристики, а также воздействие ветровых нагрузок.
Вместо изолирующей диэлектрической трубы для защиты КВАР на основе волновых разрезных вибраторов от неблагоприятных механических и климатических воздействий можно использовать термоусадочные трубки для изоляции составных частей КВАР – вибраторов и УСС, размещаемых между их плечами на несущей опоре. В этом случае поперечные габариты КВАР становятся еще меньше.
Описанные конструктивные особенности КВАР на основе волновых разрезных вибраторов обеспечивают ее защиту от неблагоприятных внешних воздействий и устраняют проблему скапливания конденсата.
КВАР на основе волновых разрезных вибраторов лишена недостатков, присущих прототипу [1], имеет малые массогабаритные характеристики, конструктивно проста и технологична при изготовлении, реализует большое усиление при круговой направленности в азимутальной плоскости и вертикальной поляризации волны.
Источники информации
1. Патент № 2573224 РФ, МПК H01Q 21/20, H01Q 9/18. Компактная вертикальная антенная решетка из вертикальных вибраторов, пространственно совмещенных с опорой / Д.В. Лучин (РФ) и др.; ФГУП НИИР (РФ). - № 2013144786/08; заявлено 04.10.2013, опубл. 20.01.2016, бюл. № 2. - 21 с., 10 ил.
2. Белоцерковский Г.Б. Основы радиотехники и антенны. В 2-х ч. Ч. II. Антенны. – М.: Радио и связь, 1983. – 296 с.
3. Гошин Г.Г. Устройства СВЧ и антенны. В 2-х ч. Ч.2. Антенны. – Томск: Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2003. – 130 с.