Всенаправленная антенна
WIRELESS ANTENNA

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве широкополосной всенаправленной антенны с вертикальной, горизонтальной и круговой (эллиптической) поляризацией, где известны рамочная антенна (рамки Альфорда) и антенна типа «лист клевера» [С. Щелкунов, Г. Фриис, Антенны (теория и практика), изд. Советское радио, Москва, 1955 г., стр. 56, стр. 500[1]; Х. Мейнке, Ф. Гундлах, Радиотехнический справочник, Госэнергоиздат, Москва, 1960 г., стр. 324, биконические рупоры и дискоконусные антенны Р. Кюн, Микроволновые антенны (антенны сверхвысоких частот), изд. Судостроение, Ленинград, 1967 г., с. 250, Дж. Слеттер. Передача ультракоротких радиоволн. ОГИЗ, Москва, Ленинград, 1946 г, с. 344.
Также известны широкополосные частотнонезависимые антенны, «EQUIANQULAR antennas» (равноугольная антенна), электрические характеристики которых теоретически не зависят от частоты. Конструкция такой антенны определяется только заданием углов, но включает в себя такие понятия как бесконечно большой размер апертуры и бесконечно малые расстояния между точками узла возбуждения. Типичными примерами таких конструкций являются многочисленные спиральные, самодополнительные, логарифмические и логопериодические антенны, а также биконические рупоры с различными видами пространственных и поверхностных структур. Рамзей В. Частотно независимые антенны, М., Мир, 1968 г., с. 3-23, 51-80, Сборник Сверхширокополосные антенны, М., Мир, 1964 г. Такие конструкции не могут быть реализованы в виде идеальных частотнонезависимых антенн, поскольку не могут иметь места ни бесконечные размеры антенны, ни бесконечно малые размеры узла возбуждения. Основным недостатком способа конструирования частотно независимых антенных систем, на базе спиральных, самодополнительных, логарифмических и логопериодических структур, является их громоздкость и отсутствие линейности ФЧХ, что не позволяет их использовать в радиолокационных системах сбора информации, системах связи передачи и обработки больших информационных потоков. Известны антенные системы с повышенной полосой пропускания, структура которых представляет собой геометрическую прогрессию элементов, где каждый последующий/предыдущий элемент подобен предыдущему/последующему, отличаясь только коэффициентом частотного расширения «f». Такие элементы обычно включаются последовательно друг за другом образуя антенную решетку с последовательным возбуждением и продольным излучением (решетка осевого излучения). Фазовый центр такой антенны в процессе излучения сигнала (при изменении частоты) перемещается вдоль структуры, чем и объясняется нарушение линейности ФЧХ. Основным и главным недостатком таких антенн является громоздкость и нелинейность ФЧХ.
Указанные антенные системы (АС) являются эффективными устройствами, позволяющими получать приемлемые технические параметры в ограниченной полосе частот. Но отсутствие разработанной теоретической базы построения сверхширокополосных антенн делает их дорогостоящими, получаемые технические параметры неоптимальными, а массогабаритные размеры большими, часто неприемлемыми для широкого применения (использования). При попытке создания антенной системы с полосой пропускания в несколько октав - до декады возникают значительные технические трудности с обеспечением электрических параметров, обеспечивающих широкую полосу пропускания и высокую скорость передачи потоков информации.
В настоящее время потребность во всенаправленных антеннах с круговыми диаграммами направленности (ДН), обеспечивающими сплошное покрытие территории очень велика, особенно для телевидения (телевизионные центры (башни, вышки)) и сотовых систем связи.
Известно техническое решение, описанное в патенте РФ №2093936 приоритет от 5.09.95, где предложена широкодиапазонная круговая антенная решетка, содержащая, по крайней мере, одну плоскую диэлектрическую основу с металлизированными слоями, в которых выполнена система возбуждения и связанный с ней излучающий раскрыв, выполненный из рупорных излучателей, размещенных в нескольких уровнях и образующий замкнутую кривую второго порядка, причем металлизированные слои антенной решетки, в которых выполнен излучающий раскрыв, расположены снаружи и охватывают диэлектрическую основу с системой возбуждения и соединены между собой.
Данное техническое решение, как наиболее близкое к заявленному по техническому существу и достигаемому результату, принято за прототип.
Недостатками данного устройства являются:
- относительно большие габариты, что приводит к необходимости дополнительных мер по обеспечению механической прочности и работоспособности устройства,
- ограниченная (небольшая мощность), передаваемая протяженной щелевой линией,
- сложность согласования волновых сопротивлений относительно протяженной щелевой линии с микрополосковой (полосковой) линией передачи;
- ограниченная ширина полосы пропускания,
- ограниченный коэффициент усиления.
Целью изобретения является разработка сверхширокополосной всенаправленной антенны с небольшими габаритами, повышенным коэффициентом усиления, большой передаваемой мощностью, вертикальной и горизонтальной поляризацией и с большой передаваемой мощностью и круговой (эллиптической) поляризацией.
Это достигается тем, что всенаправленная антенна с набором излучателей и системой возбуждения исполнена в виде решетчатой структуры с размерами излучающих элементов больше длины волны, отличающаяся тем, что излучатели расположены на экранной стороне диэлектрической пластины, выполнены в виде набора фрагментов металлизации в форме многоугольников и размещены так, что между их вершинами находятся щели, расстояния между которыми больше половины длины волны , а система возбуждения исполнена на тыльной стороне пластины в виде набора проводников, при этом один конец каждого из этих проводников, расположенных оппозитно щелям на экранной стороне пластины накладывается на нее и соединен с металлизацией соседнего многоугольника, а остальные соединены между собой и образуют вход антенны.
Представленные чертежи поясняют суть конструкции и принцип функционирования предлагаемого устройства
На фиг. 1 изображены три проекции всенаправленной антенны, А - вид сверху, Б - вид прямо (анфас), В - вид сбоку (профиль). В силу круговой симметрии антенны проекции анфас и профиль совпадают. На фиг. 2, 2а изображена излучающая система, исполненная на экранной стороне, а на фиг. 3, 3а - система возбуждения, исполненная на тыльной (токонесущей) стороне диэлектрической пластины, когда в качестве источников излучения использованы структуры с ортогональным и треугольным (гексагональным) размещением элементов. На фиг. 4 представлена пространственная диаграмма направленности (ДН) антенны, а на фиг. 5, 6 ее сечения в главных плоскостях (азимут, угол места).
Излучающая система антенны исполнена на экранной стороне диэлектрической пластины (фиг. 2, 2а) и (после частичного удаления металлизации) представляет собой набор металлизированных фрагментов (пластин) в форме многоугольников (1), между углами которых расположены щели (4), при этом в качестве источников излучения выступают как рамки с током (7), которые образованы металлизированными кромками многоугольников (1) и имеют протяженность периметра больше длины волны и возбуждаются как минимум двумя  щелями каждая, (источник магнитного излучения), так и многомодовый излучатель (L) с линейными размерами больше длины волны и возбуждаемый так же, как минимум двумя  щелями, расстояние между которыми больше половины длины волны, (источник электрического излучения),
На тыльной (токонесущей) стороне диэлектрической пластины исполнена система возбуждения (фиг. 3, 3а) в виде набора токонесущих проводников (2, 3), при этом один конец каждого из этих проводников (3), расположенного оппозитно щелям (4) на экранной стороне пластины, накладывается на них и электрически соединен с металлизацией соседнего многоугольника посредством штыря (перемычки) (8) в точке (5), а остальные проводники электрически объединены между собой и образуют вход/выход антенны, подключены к коннектору (6).
На фиг. 1, 2, 2а, 3, 3а обозначены:
1 - набор фрагментов (пластин) металлизации диэлектрика в форме многоугольников любой конфигурации, которые образуют плоскую излучающую структуру, ортогональную, треугольную, гексагональную и любую др.,
2, 3 - набор токонесущих проводников на тыльной стороне диэлектрической пластины, (микрополосковые линии), образующих систему возбуждения,
4 - набор щелей на экранной стороне диэлектрической пластины, точечные источники (излучатели), которые характеризуются нулевой пространственной протяженностью, и являются расходящимися,
5 - конец токонесущего проводника (3) расположенного оппозитно щелям (4),
6 - вход/выход антенны (коннектор), токонесущая жила (проводник) которого электрически соединен с системой возбуждения на тыльной стороне, а корпус с металлизацией на экранной стороне пластины,
7 - источник магнитного излучения - рамка с током, образованная кромками металлических пластин многоугольников и возбуждаемая, как минимум двумя  щелями,
8 - металлический штырь, посредством которого конец токонесущего проводника (3) электрически соединяется с металлизацией многоугольников, на экранной стороне пластины,
9 - диэлектрик,
L - источник электрического излучения, (многомодовый излучатель, размер которого больше длины волны
L1 - расстояние между щелями многомодового излучателя больше половины длин волны
Поскольку щели образованы вершинами многоугольников и являются расходящимися, то их пространственная протяженность практически равна нулю. Известно, что подобные конструкции характеризуются большей передаваемой мощностью, чем протяженные щелевые линии, кроме этого, при подобной конструкции щели значительно упрощается согласование волновых сопротивлений микрополосковой линии со щелевой.
Из физических представлений о процессе излучения и полной энергии поля антенны обычно выделяют следующие компоненты этого поля:
- энергию бегущей пространственной волны, формирующейся в ближней зоне антенны, которая на больших расстояниях от антенны является основной (преобладающей);
- реактивную энергию, равную разности между магнитной и электрической энергиями, запасенной в объеме ближней зоны антенны (мнимая часть потока вектора Пойнтинга);
- связанную энергию, участвующую во взаимном обмене между электрической и магнитной энергиями ближней зоны, и формирующей поток мощности энергии излучения дальней зоны.
Одним из возможных путей решения задачи создания малогабаритных сверхширокополосных АС является симбиоз электрических и магнитных точечных источников (7, L), которые встраиваются друг в друга и объединяются общим входом/выходом (6). В этом случае разноименные реактивные энергии ближней зоны позволяют частично или полностью компенсировать друг друга, а входное сопротивление АС (импеданс) делается практически активным. Кроме этого, при этом осуществляется преобразование значительной части потока мощности реактивной энергии ближнего поля антенны в связанную энергию, которая способствует повышению интенсивность потока мощности излучаемой энергии.
Достоинство и простота данного способа состоит в том, что, выбирая конструкцию излучателей, их взаимное расположение, ориентацию, структуру поля и его поляризацию, (с целью обеспечения пространственной локализации электрической и магнитной энергий в непосредственной близости от антенны (ближняя зона)), можно значительно увеличить плотность потока связанной энергии, посредством которой формируется поток излучаемой мощности. Кроме этого, поскольку запас реактивной энергии ближнего поля уменьшается, входное сопротивление антенны из комплексного стремится к активному. Значит, ослабляется его зависимость от частоты, а это способствует как расширению полосы пропускания, так и повышению коэффициента полезного действия антенны.
Особенно перспективным можно считать симбиоз точечных магнитных и электрических источников (7, L), в которых возбуждаются (существуют) высшие распространяющиеся моды, поскольку такие структуры позволяют создавать на апертуре антенны динамическое (регулируемое) амплитуднофазовое распределение (АФР).
Конструкция из двух ортогонально встроенных друг в друга многомодовых элементов, каждый из которых содержит рамку с током (7), периметр которой больше длины волны (источник формирования магнитного поля) и многомодовый излучатель с линейными размерами больше длины волны (источник формирования электрического поля) (L), объединенная общим входом/выходом (6), являются примером решения одной из самых сверхактуальных задач настоящего времени.
Создание малогабаритных сверхширокополосных антенных излучателей (элементов) с повышенной передаваемой мощностью и повышенным коэффициентом усиления.
В общем случае излучающий раскрыв антенной системы формируют посредством М излучателей (источников излучения электрического и магнитного поля) с линейными размерами больше длины волны и несколькими точками возбуждения  каждый, которые объединены общим входом/выходом.
Поскольку размеры каждого из излучателей в составе антенны больше длины волны, она является сверхширокополосной, многомодовой. При этом ее амплитуднофазовое распределение (АФР) может быть как регулируемым (если она возбуждается как четными, так и нечетными модами, отношением амплитуд и фаз которых можно управлять), так и постоянным (управляемым, но нерегулируемым) (если она возбуждается только нечетными модами), при этом в результате интерференции на ее раскрыве сохраняется только основная мода, все высшие моды подавлены в силу симметрии структуры, что позволяет сформировать сверхнаправленную ДН с высоким коэффициентом усиления и низким уровнем боковых лепестков.
Результаты математического моделирования пространственной ДН всенаправленной антенны в микроволновом диапазоне представлены на фиг. 4, они практически полностью совпадают с результатами измерения на физических моделях. Сечения пространственной ДН в главных плоскостях - азимута и угла места представлены на фиг. 5, 6.
Из приведенных результатов следует, что всенаправленная антенна, спроектированная на описанных принципах, характеризуется коэффициентом усиления (КУ) G=6.9 дБ и входным сопротивлением Z=(60.5+j9.4) Ом, практически чисто активным. Стандартные турникетные антенны [2] из диполей Герца с излучением в горизонтальной плоскости имеют КУ G≤3 дБ и входное сопротивление Z=(75+J42.5) Ом.
Из изложенного становится очевидным, что задачи, поставленные при разработке данного технического решения, полностью решены предлагаемой конструкцией всенаправленной антенны, которая реализует динамическое АФР на раскрыве, что позволяет довольно просто решить вопросы получения круговой ДН, расширения полосы пропускания и ее согласования как со свободным пространством так и с питающим фидером. Предлагаемое изобретение - это весьма совершенная микрополосковая антенна, выполняемая с применением современной технологии печатных плат, отличающаяся компактностью, малой массой и высокой технологичностью. Данная антенна найдет широкое применение в электротехнике.