НЕНАПРАВЛЕННАЯ АНТЕННА ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ
NON-DIRECTIONAL ANTENNA OF HORIZONTAL POLARIZATION

Изобретение относится к антенной технике, в частности к приемопередающим антеннам с круговой диаграммой направленности в азимутальной плоскости, предназначенным для излучения и приема волн горизонтальной поляризации, и может быть использовано в системах радиолокации и связи.
Известны двухсторонние осевые щелевые излучающие элементы с ненаправленной азимутальной диаграммой направленности (ДН) при азимутальной поляризации (Инденбом М.В. Антенные решетки подвижных обзорных РЛС. Теория, расчет, конструкции. М., «Радиотехника», 2015, с. 296-299), которые реализованы в виде щелей, размещенных на противоположных сторонах корпуса, представляющего собой два проводящих экрана. Для получения ненаправленной азимутальной ДН осуществляется противофазное возбуждение щелей путем замыкания конца питающей полосковой линии на один из проводящих экранов. При этом для согласования щелей с питающей линией между экранами щелевого излучающего элемента параллельно его оси введены две проводящие боковые стенки, одна из которых расположена перед щелью со стороны точки замыкания и удалена от оси примерно на четверть длины волны, а другая расположена за щелью и максимально приближена к оси. Экраны и щелевые излучатели на них могут быть выполнены по печатной технологии. Неравномерность азимутальной ДН, обеспечиваемая при таком построении, не превышает 1,5 дБ. Для уменьшения неравномерности азимутальной ДН расстояние между противоположными экранами должно быть много меньше длины волны.
Недостатком данной конструкции является ее громоздкость: вертикальный размер составляет более половины длины волны, горизонтальный размер - более длины волны.
Также известны антенна типа «мальтийский крест», которая применялась в качестве горизонтального кругового излучателя радиовещательных УКВ ЧМ передатчиков (Ротхаммель К., Кришке А. Антенны. Том 2. М., «Данвел», 2005, стр. 120), и ее модификация - антенна типа «клеверный лист». «Мальтийский крест» имеет форму квадрата, образованного четырьмя полуволновыми вибраторами, каждый из которых замыкается четвертьволновым шлейфом, что позволяет сформировать круговую азимутальную ДН при питании антенны через один из шлейфов. Форма антенны типа «клеверный лист» представляет собой круг из четырех вибраторов, в остальном эта антенна не имеет принципиальных отличий от «мальтийского креста». Все четвертьволновые шлейфы снабжены замыкающими перемычками, с помощью которых антенны настраиваются в резонанс. Неравномерность ДН также можно настраивать путем перемещения замыкающих перемычек вдоль шлейфов, что обеспечивает возможность реализации практически равномерного распределения излучения в азимутальной плоскости.
Недостатками такого построения являются необходимость поиска точек возбуждения четвертьволнового шлейфа, между которыми импеданс соответствует волновому сопротивлению питающего фидера, а также сложность совмещения настройки неравномерности азимутальной ДН с настройкой антенны в резонанс с помощью перемещения замыкающих перемычек вдоль шлейфов. Кроме того, для достижения приемлемой величины коэффициента усиления, антенну необходимо строить в виде решетки из двух излучателей, разнесенных по вертикали на расстояние более половины длины волны, что увеличивает высоту конструкции.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип заявляемого устройства, является горизонтальная ненаправленная антенна для коротких волн (авторское свидетельство №31313 A1 (SU), H01Q 9/00), обеспечивающая формирование круговой ДН в азимутальной плоскости, состоящая из трех горизонтальных полуволновых вибраторов, каждый из которых развернут относительно соседнего на 120°, и рефлектора. При этом токи в соседних вибраторах сдвинуты по фазе на угол, равный 120°, а каждый из вибраторов запитывается с помощью отдельной системы Лехера и не соединен с остальными. Для минимизации излучения вверх и вниз с целью повышения коэффициента усиления в конструкции применен рефлектор, подобный антенне, и расположенный над ней на расстоянии в половину длины волны. Для уменьшения неравномерности круговой азимутальной ДН данная антенна также может состоять из большего числа вибраторов, каждый из которых развернут относительно соседнего на 360°/n, где n>3 - число вибраторов, при этом токи в соседних вибраторах должны быть сдвинуты по фазе на угол, равный 360°/n. Антенна, составленная из четного числа вибраторов вверх и вниз, не излучает, при нечетном числе вибраторов - излучает.
Недостатками антенны-прототипа являются большая величина неравномерности круговой азимутальной ДН (заявленный коэффициент равномерности излучения антенны, состоящей из четырех вибраторов, равен 80%), сложность конструкции, обусловленная необходимостью применения дополнительных несущих элементов, обеспечивающих требуемое расположение вибраторов и рефлектора антенны, а также увеличение габаритов антенны в горизонтальной плоскости при числе вибраторов n>3 и большая высота конструкции ввиду размещения рефлектора на расстоянии в половину длины волны от вибраторов.
Техническим результатом заявляемого изобретения является уменьшение неравномерности круговой азимутальной ДН, упрощение конструкции и уменьшение габаритов.
Указанный технический результат достигается за счет того, что ненаправленная антенна горизонтальной поляризации содержит три горизонтальных полуволновых вибратора, каждый из которых развернут относительно соседнего на 120°, и рефлектор, представляющий собой диск диаметром в половину длины волны, расположенный в нижней части антенны на расстоянии в четверть длины волны от вибраторов, при этом для формирования круговой ДН в азимутальной плоскости вибраторы соединены с выходами трехканального делителя мощности, обеспечивающего их синфазное равноамплитудное возбуждение, плечи вибраторов выполнены в виде концентричных дуг, а трехканальный делитель мощности реализован на основе параллельного разветвления общей коаксиальной линии на три несимметричных полосковых линии, каждая из которых соединена с плечами соответствующего вибратора.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется при помощи графического материала, где:
- на фиг. 1а показан общий вид антенны;
- на фиг. 1б показан вид антенны в разрезе;
- на фиг. 2 приведены азимутальная и угломестная диаграммы направленности антенны.
Ненаправленная антенна горизонтальной поляризации (фиг. 1) включает три горизонтальных полуволновых вибратора (1), каждый из которых содержит два плеча (2), соединенных с соответствующим выходом трехканального делителя мощности, выполненного в виде параллельного разветвления общей коаксиальной линии (входа делителя) на три несимметричных полосковых линии (выхода), образованных проводником (3), экраном (4) и фиксатором проводника (5). Фиксатор (5) на фиг. 1б не показан. Общая коаксиальная линия состоит из центрального проводника (6), изолятора (7) и внешнего проводника (8), в верхней части которого для вывода проводника (3) вырезаны пазы (9). Изолятор (7) и фиксатор (5) выполнены на основе фторопласта. В нижней части конструкции расположен рефлектор (10), с тыльной стороны которого организован вход (11) антенны. Для защиты от климатических и внешних механических воздействий конструкция антенны размещена под радиопрозрачным обтекателем (12) из литьевого полиамида, имеющим герметичное сопряжение с выступом (13) на поверхности рефлектора (10). Конструкция рефлектора (10) может быть использована в качестве присоединительного фланца антенны, для этого в ней предусмотрены отверстия (14).
Устройство работает следующим образом.
Сигнал, подаваемый на вход (11) антенны, распространяясь по общей коаксиальной линии трехканального делителя, распределяется между его выходами в соотношении 1:3 (по мощности), синфазно возбуждая три горизонтальных полуволновых вибратора (1), плечи (2) которых соединены с соответствующим выходом делителя. Каждый из вибраторов (1) развернут относительно соседнего на 120°, образуя кольцевую антенную решетку из трех излучающих элементов, расположенных по окружности и формирующих круговую ДН в азимутальной плоскости. При этом плечи (2) вибраторов (1) выполнены в виде концентричных дуг, что обеспечивает расширение ДН каждого из вибраторов в Е-плоскости и, соответственно, уменьшение неравномерности азимутальной ДН антенны. Ввиду симметрии конструкции при синфазном равноамплитудном возбуждении вибраторов (1) угломестная ДН антенны практически совпадает с ДН, формируемой в Н-плоскости отдельно взятым вибратором, размещенным над проводящим экраном на расстоянии около четверти длины волны, поэтому в углах места, близких к вертикальной оси, антенна не излучает. Расположение рефлектора (10) в нижней части антенны на расстоянии в четверть длины волны от вибраторов (1) позволяет повысить коэффициент усиления антенны за счет частичного экранирования электромагнитного поля, излучаемого в нижнюю полусферу пространства. Согласование волнового сопротивления питающей несимметричной полосковой линии с входным сопротивлением вибратора (1) обеспечивается экраном (4) трапециевидной формы при длине несимметричной полосковой линии около четверти длины волны. Поскольку радиопрозрачный обтекатель (12) выполнен на основе материала с диэлектрической проницаемостью ε ~ 4…5, сигнал, излучаемый вибраторами (1), частично отражаясь от обтекателя, складывается с входным сигналом, что при достаточно близком расположении обтекателя к вибраторам приводит к смещению рабочего диапазона частот антенны в сторону его нижней границы. Поэтому при использовании в составе антенны указанного обтекателя длины плеч (2) вибраторов (1), расстояние от рефлектора (10) до вибраторов, а также длины питающих несимметричных полосковых линий должны быть на 3…6% меньше четверти длины волны.
Отличительной особенностью, обеспечивающей упрощение конструкции, снижение трудоемкости изготовления и сборки антенны, является то, что рефлектор (10) и внешний проводник (8) коаксиальной линии представляют собой единую деталь, изготавливаемую из алюминия по технологии токарной обработки и являющуюся несущей конструкцией для остальных элементов антенны - экрана (4), выполненного совместно с плечами (2) из листа алюминия, изолятора (7), проводника (3) выполненного совместно с плечами (2) из листа алюминия, соединенного пайкой с центральным проводником (6), фиксатора (5) и обтекателя (12).
Сечения ДН в азимутальной и угломестной плоскостях, рассчитанные при численном моделировании антенны в пакете прикладных программ с использованием метода конечных элементов в частотной области, приведены на фиг. 2. ДН в азимутальной плоскости на фиг. 2 соответствует сплошной линии, ДН в угломестной плоскости - штриховой линии. Неравномерность азимутальной ДН не превышает 0,5 дБ (коэффициент равномерности излучения антенны равен 94%). Нормированная угломестная ДН имеет следующие характеристики: ширина на уровне минус 3 дБ - не более 92°, уровень ДН в направлении горизонта - не менее минус 1 дБ, уровень ДН в направлении вертикальной оси - не более минус 24 дБ. Реализованный коэффициент усиления антенны составляет 2,5 дБ.
Результаты экспериментальной проверки характеристик двух опытных образцов ненаправленной антенны горизонтальной поляризации, изготовленных на предприятии-заявителе, хорошо согласуются с расчетными данными, приведенными на фиг. 2, что подтверждает возможность практической реализации предлагаемого изобретения.