Треугольно-дуговая антенна круговой поляризации Милкина-Калитёнкова
MILKIN-KALITENKOV TRIANGLE-ARC CIRCULAR POLARIZATION ANTENNA

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для работы на радиолиниях систем дальней связи, в беспроводных сетях, в системах телеуправления и навигации.
Известна турникетная антенна круговой поляризации, в которой пара конструктивно и электрически тождественных директорных антенн расположена в пространстве так, что разница их плоскостей поляризации составляет 90°. Когда обе системы вибраторов возбуждаются при взаимном сдвиге фаз на 90°, то у директорных структурных систем возникает круговая поляризация (Ротхаммель К., Кришке А. Антенны. Том 2: Пер. с нем. - М.: Данвел, 2005, стр. 149-155, рис. 26.30, 26.32). При продольных размерах по траверсе 0,85 средней длины волны известная антенна с креплением элементов на ней обеспечивает усиление около 8,5 dB в осевом направлении.
Недостатком директорной турникетной антенны является сложная система симметрирования и согласования по питанию.
Известна двухмодовая антенна с круговой поляризацией, в раскрыве расположенной перед экраном конической поверхности которой установлен излучатель, выполненный в виде турникетного вибратора. Внешние концы турникетного вибратора подключены к верхней кромке конической поверхности, а примыкающие к центру концы ортогональных пар с помощью двух отрезков коаксиального фидера подключены к фидерному тракту (Пат. РФ №2262167, опубл. 10.10.2005). Плечи турникетного вибратора, выполненные в виде треугольных пластин с углом при вершине примыкающей к центру турникетного вибратора, выбранным в пределах 55÷65°, запитаны равноамплитудно и с прогрессивным на 90° фазовым сдвигом. При работе с круговой поляризацией сложной конструкции антенна обеспечивает при продольных размерах больших 0,25 средней длины волны слабонаправленную осесимметричную диаграмму направленности при малом коэффициенте усиления.
Недостатками данного аналога являются недостаточно высокий коэффициент усиления, недостаточная направленность и малая надежность при эксплуатации.
Наиболее близкой по своей технической сущности к заявленной является ненаправленная СВЧ-антенна, содержащая четыре изогнутых вибратора, расположенных во взаимно ортогональных плоскостях над металлическим экраном (Пат. СССР №757079, опубл. 10.01.1999). В антенне-прототипе каждый вибратор выполнен в виде четверти окружности с линейным участком, который направлен по радиусу, линейные участки расположены вблизи центра антенны и замкнуты на экран, удаленные от центра концы вибраторов возбуждены равноамплитудно с прогрессивным девяностоградусным сдвигом по фазе, длина каждого вибратора равна  средней длины волны, а длина линейного участка не менее  длины волны. У антенны-прототипа с продольной протяженностью равной 0,25 средней длины волны в верхнем полупространстве диаграмма направленности близка к изотропной.
Недостатками известной антенны являются усеченная осевая диаграмма направленности, недостаточно высокий коэффициент усиления, довольно сложные цепи коммутации питания.
Задачей изобретения является разработка антенны круговой поляризации увеличенной направленности, расширяющей парк средств данного назначения с повышенными электрическими характеристиками.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение коэффициента усиления, упрощение устройства питания, обеспечение работы в режимах круговой и линейной поляризаций с более высоким качеством согласования и меньшей эллиптичностью круговой поляризации. Дополнительным результатом является увеличение ее надежности за счет конструктивной жесткости.
Для достижения указанного технического результата в треугольно-дуговой антенне круговой поляризации, содержащей четыре изогнутых вибратора, расположенных попарно над экраном во взаимно ортогональных плоскостях, каждый вибратор представляет собой половину скобы, линейный участок которой параллелен экрану, а конец линейного участка расположен вблизи центра антенны и возбужден равноамплитудно с прогрессивным 90° - м сдвигом по фазе, изогнутая часть вибратора замкнута на экран, дополнительно в каждой ортогональной плоскости параллельно экрану установлено по одному линейному директору длиной 0,4 средней длины волны, концы линейных директоров кондуктивно соединены проводниками длиной 0,3 средней длины волны с точками возбуждения линейных участков вибраторов, кроме того, между вибраторами и линейными директорами параллельно плоскости экрана установлен кольцевой директор, длина окружности которого равна средней длине волны.
При этом концы каждого линейного директора могут быть соединены с возбужденными точками вибраторов, расположенных в той же плоскости что и линейный директор, как с перекрещиванием, так и без перекрещивания проводников. Также концы каждого линейного директора могут быть соединены с возбужденными точками вибраторов, расположенных в плоскости, ортогональной плоскости линейного директора, как с перекрещиванием, так и без перекрещивания проводников. Кроме того, как минимум один из вибраторов выполнен трубчатым с проложенным внутри коаксиальным кабелем, оплетка которого подключена к точке возбуждения конца вибратора, в котором проложен коаксиальный кабель, а центральный проводник коаксиального кабеля подключен к точке возбуждения конца противоположного вибратора, причем ортогонально расположенные вибраторы подключены со сдвигом по фазе на 90°. Точка пересечения линейных директоров лежит на оси антенны и является точкой нулевого потенциала, центр кольцевого директора расположен на оси антенны.
Отличительными признаками предлагаемой треугольно-дуговой антенны круговой поляризации от указанной выше известной, наиболее близкой к ней, являются следующие:
- выполнение вибраторов изогнутыми в виде полускобы длиной не менее 0,25 средней длины волны, с линейными участками параллельными экрану;
- возбуждение вибраторов с концов, расположенных вблизи осевой линии, проходящей через центр антенны;
- использование экрана составной частью дуговых вибраторов в качестве активного рефлектора;
- дополнение диаграммообразующей структуры антенны линейными директорами длиной 0,4 средней длины волны, расположенными во взаимно ортогональных плоскостях на оси антенны параллельно экрану перед вибраторами (активным рефлектором);
- кондуктивное соединение концов линейных директоров проводниками длиной 0,3 средней длины волны с точками возбуждения концов линейных участков вибраторов, обеспечивая периметр образовавшегося треугольника с учетом длины директора равным средней длины волны;
- кондуктивное соединение концов линейных директоров, расположенных в ортогональных плоскостях перекрещивающими проводниками длиной 0,3 средней длины волны с возбужденными точками концов вибраторов, расположенных в этих же плоскостях;
- кондуктивное соединение концов линейных директоров, расположенных в ортогональных плоскостях вибраторов, проводниками длиной 0,3 средней длины волны с возбужденными точками концов вибраторов, расположенных во взаимно ортогональных диаметральных плоскостях, образуя пространственные треугольники;
- расположением параллельно экрану с длиной окружности, равной средней длине волны, кольцевого директора, выполненного с центром на оси антенны между линейными директорами и вибраторами;
- выполнением не менее чем одного из вибраторов трубчатым, с проложенным внутри коаксиальным кабелем, оплетка которого подключена к точке возбуждения конца вибратора, в котором проложен коаксиальный кабель, а центральный проводник коаксиального кабеля подключен к точке возбуждения конца противоположного вибратора с выпуском кабеля за экран;
- подключением не менее чем одного из ортогонально расположенных вибраторов со сдвигом по фазе на 90°.
Благодаря наличию этих признаков достигается увеличение коэффициента усиления за счет дополнения диаграммообразующей структуры антенны линейными директорами длиной 0,4 средней длины волны, соединение их проводниками длиной 0,3 средней длины волны и дополнение кольцевым директором, выполненным с центром на оси антенны между линейными директорами и вибраторами. При этом обеспечивается осевая направленность антенны при продольной протяженности 0,25 средней длины волны. Выполнение одного из вибраторов трубчатым упрощает коммутацию, симметрирование и согласование при подключении к антенне коаксиального кабеля питания. Наличие точек нулевого потенциала по осевой линии антенны в точке пересечения линейных директоров и в точке прохождения осевой линии на экране обеспечивают устройство проводящей траверсы, повышающей жесткость конструкции. Симметричное расположение конструктивных элементов относительно осевой линии и равенство образующих стороны треугольников соединительных проводников при возбуждении вибраторов равноамплитудным с прогрессивным на 90° сдвигом по фазе питанием обеспечивают работу в режиме круговой поляризации в раскрыве угла диаграммы направленности до 90°.
Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что дуговые трубчатые вибраторы в местах замыкания на экран, с креплением через экран, с проложенным внутри коаксиальным кабелем, обеспечивают технологическую коммутацию питающих фидеров вне диаграммообразующих элементов, за экраном антенны.
Новизна в части устройства усматривается в том, что диаметрально расположенные дуговые вибраторы замыкаясь через проводящий экран реализуются в качестве активных рефлекторов с повышенной эффективностью за счет дополнительного экранирующего эффекта для задней полусферы.
Новизна в части устройства усматривается в том, что диаграммообразующая структура антенны дополнена линейными директорами длиной 0,4 средней длины волны, расположенными во взаимно ортогональных плоскостях с точкой их пересечения на оси антенны параллельно экрану перед вибраторами (активным рефлектором), с кондуктивно соединенными концами линейных директоров проводниками, длиной 0,3 средней длины волны, с точками возбуждения концов вибраторов.
Новизна в части устройства усматривается в том, что концы каждого линейного директора могут быть соединены с возбужденными точками вибраторов, расположенными в той же плоскости что и линейный директор, как с перекрещиванием, так и без перекрещивания проводников, а также концы каждого линейного директора могут быть соединены с возбужденными точками вибраторов, расположенных в плоскости, ортогональной плоскости линейного директора, как с перекрещиванием, так и без перекрещивания проводников.
Новизна в части устройства усматривается в том, что параллельно экрану, между линейными директорами и вибраторами, расположен кольцевой директор, центр которого расположен на оси антенны, с длиной окружности, равной средней длине волны.
Новизна в части устройства усматривается в том, что трубчатые вибраторы, с креплением через экран, с проложенным внутри коаксиальным кабелем, оплетка которого подключена к точке возбуждения конца вибратора, в котором проложен коаксиальный кабель, а центральный проводник коаксиального кабеля подключен к точке возбуждения конца противоположного вибратора, обеспечивают упрощение технологии сборки конструкции антенны и устройства схемы ее питания.
Сочетание отличительных признаков и свойств как в заявленном устройстве из технической, научной литературы и патентной документации не выявлено, поэтому оно соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.
Промышленная применимость заявленного технического решения усматривается в сравнительной простоте изготовления, тиражирования, эксплуатации и в высоких электрических характеристиках в виде самостоятельной антенны, в возможности ее использования на промышленной основе и конкурентоспособном уровне.
Предлагаемая треугольно-дуговая антенна круговой поляризации иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-5.
На фиг. 1 показан общий вид антенны, на фиг. 2 - диаграммы направленности в вертикальной и горизонтальной плоскости, на фиг. 3 - изменение коэффициента усиления и коэффициента защитного действия в исследуемом диапазоне частот 400-700 МГц, на фиг. 4 - изменение КСВ в исследуемом диапазоне частот 400-700 МГц, на фиг. 5 - диапазон изменения диаграмм направленностей от частоты.
Антенна содержит четыре изогнутых вибратора 1, расположенных попарно во взаимно ортогональных плоскостях 2 и 3 над экраном 4. Каждый вибратор 1 длиной не менее 0,25 средней длины волны выполнен в виде половины скобы, линейный участок «б» которой параллелен экрану 4, а конец линейного участка расположен вблизи центра антенны и возбужден равноамплитудно с прогрессивным 90°-м сдвигом по фазе. Изогнутая часть «а» вибратора 1 замкнута на экран 4. В каждой ортогональной плоскости 2 и 3 с расположенной в ней парой вибраторов параллельно экрану 4 и линейным участкам «б» вибраторов 1 установлено по одному линейному директору 6 длиной 0,4 средней длины волны. Точка пересечения линейных директоров 6 расположена на оси 5 антенны и является точкой нулевого потенциала. Между вибраторами 1 и линейными директорами 6 параллельно плоскости экрана 4 установлен кольцевой директор 8 с длиной окружности, равной средней длине волны и центром, расположенным на оси антенны.
Концы линейных директоров 6 кондуктивно соединены проводниками 7 длиной 0,3 средней длины волны с точками возбуждения концов линейных участков вибраторов 1. При этом концы каждого линейного директора 6 могут быть соединены с возбужденными точками «d» вибраторов 1, расположенных в той же плоскости что и линейный директор 6, как с перекрещиванием, так и без перекрещивания проводников 7. Также концы каждого линейного директора 6 могут быть соединены с возбужденными точками «d» вибраторов 1, расположенных в плоскости, ортогональной плоскости линейного директора 6, как с перекрещиванием, так и без перекрещивания проводников.
Кроме того, как минимум один из вибраторов 1 выполнен трубчатым с проложенным внутри коаксиальным кабелем, оплетка которого подключена к точке возбуждения конца вибратора, в котором проложен коаксиальный кабель, а центральный проводник коаксиального кабеля подключен к точке возбуждения конца противоположного вибратора 1, причем ортогонально расположенные вибраторы 1 подключены со сдвигом по фазе на 90°.
Треугольно-дуговая антенна по варианту 1 содержит изогнутые вибраторы 1, расположенные во взаимно ортогональных плоскостях 2 и 3 над экраном 4. Каждый из изогнутых вибраторов 1 замкнут на экран 4 и направлен по радиусу к центру антенны с осевой линией 5. Вибраторы 1 выполнены длиной не менее 0,25 средней длины волны в виде половины скобы с дуговым элементом «а» и линейным участком «b», параллельным экрану 4 с концами «d», расположенными вблизи осевой линии 5, проходящей через центр антенны «с». Параллельно экрану 4 перед вибраторами 1 во взаимно ортогональных плоскостях 2 и 3 расположены линейные директоры 6, длиной 0,4 средней длины волны с концами «d1». Директоры 6 кондуктивно соединены от концов «d1» проводниками 7, длиной 0,3 средней длины волны, с точками возбуждения концов «d» вибраторов 1, образуя треугольники с периметром, соизмеримым со средней длиной волны.
При этом в варианте 2, линейные директоры 6, расположенные в ортогональных плоскостях 2 и 3 вибраторов 1 соединены от концов «d1» директоров 6 перекрещивающими проводниками 7 длиной 0,3 средней длины волны с возбужденными точками «d» концов вибраторов 1, расположенных в этих же плоскостях 2 и 3, образуют треугольники, лежащие в одной плоскости.
В варианте 3, линейные директоры 6, расположенные в ортогональных плоскостях 2 и 3 вибраторов 1 соединены от концов «d1» проводниками 7 длиной 0,3 средней длины волны с возбужденными точками «d» концов вибраторов 1, расположенных во взаимно ортогональных 2 и 3 диаметральных плоскостях, образуют треугольники, лежащие в разных плоскостях.
Для увеличения направленности антенны в варианте 4 между расположенными параллельно экрану во взаимно ортогональных плоскостях линейными директорами 6 и вибраторами 1, с центром на оси 5 и параллельно экрану 4 расположен кольцевой директор 8, выполненный с длиной окружности, равной средней длине волны.
В варианте 5 для упрощения устройства питания и конструкции антенны, не менее чем один из вибраторов 1 выполнен трубчатым, с проложенным внутри коаксиальным кабелем, оплетка которого подключена к точке возбуждения конца «d» вибратора 1, в котором проложен коаксиальный кабель, а центральный проводник коаксиального кабеля подключен к точке возбуждения конца «d» противоположного вибратора 1.
В треугольно-дуговой антенне для крепления линейных директоров 6 в общую конструкцию с жестким экраном 4 используется траверса 9, которая может быть как диэлектрической, так и металлической.
Антенна работает следующим образом.
Две пары изогнутых вибраторов 1, находящихся во взаимно ортогональных плоскостях 2 и 3, замкнутых на экран 4, с линейными участками «b», параллельными экрану 4, возбуждаемыми равноамплитудно с прогрессивным на 90° сдвигом по фазе, создают поле круговой поляризации вдоль оси 5. При этом проводящий экран 4 реализует ортогональные пары петлевых вибраторов, за счет кратчайших путей токов по участкам экрана 4 между дуговыми элементами «а» вибраторов 1, обеспечивающими упрощение технологии сборки конструкции антенны и устройства схемы ее питания. Расположенные параллельно экрану 4 перед вибраторами 1 во взаимно ортогональных плоскостях 2 и 3 линейные директоры 6 длиной 0,4 средней длины волны, формируют выраженную вдоль оси 5 диаграмму направленности, подобно классической турникетной антенне, повышая коэффициент усиления устройства, что широко раскрыто в технической литературе. Линейные директоры 6, расположенные в ортогональных плоскостях 2 и 3 вибраторов 1, соединенные от концов «d1» директоров 6 перекрещивающими проводниками 7, длиной 0,3 средней длины волны, с возбужденными точками «d» концов вибраторов 1, расположенных в этих же плоскостях 2 и 3, образуют треугольники, лежащие в одной плоскости, и обеспечивают расстояние линейных директоров 6 от вибраторов 1, соизмеримое с 0,25 средней длины волны. При этом, в отличие от наведенных токов в классическом варианте, в предложенной антенне за счет проводников 7, подключенных к возбужденным точкам «d», в директорах 6 текут увеличенные токи проводимости, а в виде треугольника образованные рамочные антенны, ортогонально перекрещенные, обеспечивают синтез поля круговой поляризации при увеличенном угле раскрыва диаграммы направленности. Линейные директоры 6, расположенные в диаметральных плоскостях 2 и 3 вибраторов 1, соединенные от концов «d1» проводниками 7 длиной 0,3 средней длины волны, с возбужденными точками «d» концов вибраторов 1, расположенных во взаимно ортогональных 2 и 3 плоскостях, образуют треугольники, лежащие в разных плоскостях, и с изгибом в сторону направления вращения поляризации увеличивают коэффициент усиления антенны. Между расположенными параллельно экрану линейными директорами 6 и вибраторами 1 устанавливают кольцевой директор 8, длина окружности которого равна средней длине волны, с центром на оси 5, параллельно экрану 4. Кольцевой директор 8 обеспечивает повышение симметрии токов в проводниках антенны и дальнейшее увеличение коэффициента усиления антенны. При этом изменение его положения вдоль оси 5 изменяет импеданс антенны и обеспечивает ее согласование с питающим кабелем.
При этом, для обеспечения работы с линейной поляризацией, как и в классических турникетных антеннах, питание подключается только в одну из пар вибраторов, расположенных в рабочей плоскости поляризации или в обе пары синфазно, для получения сдвига плоскости поляризации на 45°.
Компьютерная модель треугольно-дуговой антенны, представленной на фиг. 1, была проверена в ходе электронного моделирования в программе MMANA с перекрытием рабочего диапазона частот 400-700 МГц.
Результаты компьютерного моделирования для расчетной частоты 435 МГц, показанные на фиг. 2, подтверждают высокий коэффициент усиления 9,33 dB укороченной, равной по продольной протяженности 0,25 средней длины волны антенны, а ортогональные диаграммы направленности подтверждают работу антенны с круговой поляризацией при раскрыве осевой диаграммы направленности до 90°. С увеличением углов, поляризация становится эллиптической.
На фиг. 3 показано изменение коэффициентов усиления и защитного действия в исследуемом диапазоне частот 400-700 МГц, на фиг. 4 - изменение КСВ от частоты, а на фиг. 5 - диапазон изменения диаграмм направленностей от частоты.