Антенна с изменяемой диаграммой направленности

Техническое решение относится к области радиотехники, в частности к антенной технике, и может быть использовано в технике связи.
Известна антенна «Замкнутая ромбическая антенна» К. Ротхамель «Антенны», издание одиннадцатое, издательство «Данвел» г. Москва 2005 г. Том №1, стр. 221-226, которая содержит два горизонтально расположенных протяженных электрических проводника (например, проволока, стержень, труба) длиной не менее одной длины волны, выполненных в виде ромба, установленных на четырех мачтах (опорах) и оборудованных поглощающим резистором.
Недостатком аналога является невозможность обеспечить вращение антенны ввиду ее громоздкости, необходимость обеспечить высоту подвеса антенны не менее  длины волны для обеспечения малого угла возвышения в вертикальной плоскости диаграммы направленности, необходимость четырех опор для монтажа антенны, потери мощности в поглощающем резисторе.
Также известна антенна «Квадратный куб» К. Ротхамель «Антенны», издание одиннадцатое, издательство «Данвел», г. Москва, 2005 г. Том №1, стр. 258-262, которая содержит активную петлю в виде квадратного элемента и отстоящего от него на расстоянии 0,1-0,2 длины волны второго такого же проволочного квадрата, который с помощью дополнительного настроечного шлейфа превращается в рефлектор.
К недостаткам второго аналога относятся необходимость поворота всей антенны для изменения направления излучения, сложность несущей конструкции антенны, необходимость обеспечить высоту подвеса антенны не менее  длины волны для обеспечения малого угла возвышения в вертикальной плоскости диаграммы направленности, значительная ветровая нагрузка на антенну ввиду большой парусности конструкции, искажение диаграммы направленности при наличии проводящих предметов и других антенн в близи антенны.
В качестве прототипа выбрана «Рамочно-лучевая антенна», патент на полезную модель №: 92574 от 13 ноября 2009 г., которая содержит вертикально расположенную рамку из материала с малыми омическими потерями с коаксиально расположенным в ней проводником, рамка и внутренний проводник подключены к конденсаторам настройки С-1 и С-2 и образуют два сильно связанных между собой контура. Наружный контур соединен с горизонтально расположенными лучами, образуя вместе с ними антенную систему.
К недостаткам прототипа относятся отсутствие возможности антенны работать только в одном, выбранном направлении, неспособность подавлять сигналы во всех других направлениях.
Задачей технического решения является разработка антенны, обладающей возможностью работать в любом выбранном направлении без необходимости механического поворота антенны, обладающей незначительной парусностью, требующей для установки одну опору, обладающей малым углом возвышения в вертикальной плоскости диаграммы направленности, при высоте подвеса значительно менее  длины волны, невосприимчивой к наличию проводящих предметов и других антенн в непосредственной близости от нее.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в антенне с изменяемой диаграммой направленности, содержащей вертикально расположенную рамку из материала с малыми омическими потерями с коаксиально расположенным в ней проводником, внутренний проводник подключен к конденсатору настройки С-1, наружный проводник излучающей рамки подключен в свою очередь к двум излучателям, выполненным в виде окружности из материала с малыми омическими потерями и оборудованным конденсаторами настройки С-2 и С-3 соответственно, образующими три сильно связанных между собой контура, при этом контур, образованный внутренним коаксиальным проводником и настроечным конденсатором С-1, полностью электрически экранирован и участвует в формировании только магнитной составляющей, в то время как излучатели в виде окружности и образованные ими и конденсаторами С-2 и С-3 контуры формируют электрическую составляющую электромагнитного излучения антенны. В антенне с изменяемой диаграммой направленности наружный проводник излучающей рамки соединен с расположенными в одной плоскости с ним излучателями, выполненными в виде окружности, выполненными жесткими самонесущими, из легких проводящих материалов, образуя вместе с ними антенную систему.
В предлагаемой антенне предусмотрены следующие отличия: два излучающих луча выполнены жесткими самонесущими из легких проводящих материалов с малыми омическими потерями, в виде окружности такого же диаметра, как и излучающая рамка, и расположены в плоскости рамки, оба кольцевых излучающих луча присоединены к наружному проводнику излучающей рамки и к настроечным конденсаторам С-2 и С-3 соответственно.
Внутренний, коаксиально расположенный проводник излучающей рамки и настроечный конденсатор С-1 образуют контур, настроенный на рабочую частоту. При этом он полностью электрически экранирован наружным проводником излучающей рамки, которая в свою очередь гальванически связана с кольцевыми излучателями. Кольцевые излучатели и настроечные конденсаторы С-2 и С-3 также образуют контуры, настроенные на рабочую частоту. Эти контуры сильно связаны между собой. Изменение емкости одного из конденсаторов вызывает изменение частоты настройки всей антенны.
Конденсаторы С-2 и С-3 включены последовательно с индуктивностью левого и правого кольцевого излучателя. Таким образом, изменяя емкость этих конденсаторов, можно изменять ток, протекающий в каждом кольцевом излучателе, и соответственно мощность, затраченную на формирование электрической составляющей электромагнитного излучения антенны. При этом, уменьшая емкость одного конденсатора и соответственно увеличивая емкость второго, имеется возможность сохранить рабочую частоту антенны. Кроме того, изменяя емкость конденсатора С-1, можно изменять ток, протекающий во внутреннем, коаксиально расположенном проводнике излучающей рамки, и соответственно мощность, затраченную на формирование магнитной составляющей электромагнитного излучения антенны. При этом изменение частоты настройки антенны, вызванное изменением емкости этого конденсатора, можно легко компенсировать изменением емкости конденсаторов С-2 и С-3, сохраняя соотношение их емкостей, по отношению друг к другу.
Изменение весовых соотношений магнитной и электрической составляющих электромагнитного излучения антенны позволяет значительно изменять горизонтальную диаграмму направленности антенны и вызывает особые интерференционные потоки энергии, что способствует увеличению ее мощности излучения, по сравнению с суммарной мощностью отдельных излучателей, образующих антенну.
Кроме того, предложенная антенна с изменяемой диаграммой направленности отличается тем, что вертикально расположенная рамка излучает вертикально поляризованную магнитную составляющую, а кольцевые излучатели - горизонтально поляризованную электрическую составляющую, что обеспечивает формирование фронта излучаемой электромагнитной волны. Формирование фронта излучаемой электромагнитной волны происходит непосредственно у элементов антенны, характеристики антенны практически не зависят от высоты подвеса антенны. Угол излучения в вертикальной плоскости (угол возвышения) имеет небольшую величину, антенна не подвержена влиянию окружающих предметов, проводников и других антенн, находящихся в непосредственной близости от нее.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь. А именно, наличие возможности изменять весовые соотношения между электрической и магнитной составляющей в зоне формирования излучения позволяет изменять горизонтальную диаграмму направленности антенны в широких пределах без необходимости механического поворота всей антенны. Позволяет осуществить работу антенны в выбранном направлении с возможностью подавления сигналов во всех других направлениях. Формирование электрической и магнитной составляющей фронта излучаемой электромагнитной волны отдельными элементами антенны обеспечивает независимость угла возвышения в вертикальной плоскости от высоты установки антенны и исключает искажение диаграммы направленности при наличии проводящих предметов и других антенн вблизи антенны.
Техническое решение позволяет осуществлять работу антенны в нужном направлении без необходимости механического поворота всей антенны, для обеспечения малого угла возвышения диаграммы направленности в вертикальной плоскости, использовать высоту установки антенны значительно менеедлины волны. Антенна имеет простую несущую конструкцию и обладает незначительной парусностью.
Техническая сущность предложенного технического решения поясняется чертежами, на которых:
Фиг. 1 - принципиальная электрическая схема антенны с изменяемой диаграммой направленности;
Фиг. 2 - технологическая схема антенны с изменяемой диаграммой направленности.
Предложенная антенна с изменяемой диаграммой направленности состоит из рамочной части антенны, изготовленной из коаксиально расположенных проводников и оборудованной конденсатором настройки, лучевой части, выполненной из двух кольцевых проводников и оборудованной конденсаторами настройки, мачты и распорки, изоляторов и точек крепления этих изоляторов, индуктивной петли связи с питающим кабелем.
Перечисленные выше конструктивные элементы выполнены следующим образом, рамочная часть антенны выполнена из коаксиально расположенных проводников и оборудована стандартным конденсатором настройки для внутреннего проводника, лучевая часть выполнена в виде двух жестких самонесущих кольцевых проводников из легких материалов и оборудована стандартными конденсаторами настройки. Питание антенны осуществляется петлей связи, подобной петле связи, использованной в прототипе. Рамочная часть и кольцевые излучающие лучи расположены в одной плоскости.
Описанное выше техническое решение направленной рамочно-лучевой антенны осуществляется следующим образом.
Рамочная часть антенны, выполненная из материала с малыми омическими потерями с коаксиально расположенным в ней проводником в форме окружности и оборудованная конденсатором настройки, а также излучатели, изготовленные из легких материалов в виде кольцевых жестких, самонесущих проводников, оборудованные конденсаторами настройки, с помощью распорки монтируется на диэлектрическую мачту. Изменением соотношения емкостей конденсаторов С-1, С-2, С-3 изменяется горизонтальная диаграмма направленности антенны и обеспечивается настройка антенны на рабочую частоту. Настройка антенны производится по минимуму коэффициента стоячей волны или по максимуму показаний индикатора напряженности поля. Питание антенны осуществляется петлей связи подобной описанной К. Hagenbuchner. Magnetische Anfennen - ein Erfahrung-bericht - QSP, 1988, N 7, S. 28-3.
Технико-экономическое обоснование:
1. способность работать только в одном выбранном направлении, с возможностью подавления сигналов во всех других направлениях;
2. отсутствие необходимости механического поворота всей антенны;
3. возможность монтажа антенны с помощью одной опоры;
4. отсутствие значительной парусности;
5. отсутствие искажения диаграммы направленности при наличии проводящих предметов и других антенн в близи антенны.
6. обеспечение малого угла возвышения в вертикальной плоскости диаграммы направленности при высоте подвеса значительно менее  длины волны.