ИЗЛУЧАЮЩАЯ АНТЕННА В ЭКРАНИРУЮЩЕМ КОРПУСЕ
RADIATING ANTENNA IN SHIELDING HOUSING

Изобретение относится к антенной технике, а именно к устройству, которое защищает излучающую антенну от негативного влияния переизлучающих элементов конструкции объекта-носителя излучающей антенны на параметры диаграммы направленности антенны (ДНА).
Известны уголковые антенны или, как их называют, антенны с уголковым отражателем [1], в простейшем виде состоящим из двух плоских пластин, образующих отражатель (рефлектор), между которыми размещен линейный облучатель. В качестве облучателя используется, как правило, либо одиночный вибратор, либо линейная вибраторная решетка. Обычно ось облучателя располагается в биссекториальной плоскости антенны. При надлежащем выборе угла рефлектора и расстояния от оси вибратора до вершины угла возможно обеспечить благоприятное сложение поля волны, отраженной от рефлектора, с полем волны, создаваемой непосредственно вибратором. При симметричном расположении облучателя относительно пластин рефлектора и относительно небольших размерах рефлектора максимальное излучение обеспечивается преимущественно в направлении биссектрисы угла.
Известна уголковая антенна [2], содержащая уголковый рефлектор, образованный двумя прямоугольными проводящими пластинами, соединенными под углом φ и выполняющими функцию основных отражателей, излучающее устройство, размещенное в полости упомянутого углового рефлектора, дополнительные прямоугольные проводящие пластины, выполняющие функцию дополнительного отражателя, каждая дополнительная прямоугольная проводящая пластина размещена под углом к одной пластине основных отражателей и соединена по кромке, параллельной линии соединения основных отражателей.
Анализ показывает, что в приведенных источниках информации [1]-[2] рефлекторы-отражатели ориентированы только на обеспечение формирования ДНА в интересах повышения коэффициента усиления в заданном направлении и не предназначены для выполнения функции защиты от негативного влияния близко расположенных переизлучающих элементов конструкции объекта, на котором размещены эти антенны (объекта-носителя).
Известны антенны осевого излучения [3], построенные по принципу размещения системы излучателей (вибраторов, витков спирали) вдоль оси антенны. При обеспечении в излучателях фазовых сдвигов токов, близких к фазовым сдвигам, в электромагнитной волне, распространяющейся в направлении оси антенны, такая антенна имеет ярко выраженную направленность, коэффициент усиления антенны зависит от длины отрезка, на котором размещены излучатели (длины спирали). Антенны осевого излучения широко используются на практике в качестве антенн секторного излучения.
Существенным недостатком антенн осевого излучения является то, что размещая большое количество передающих антенн на близких расстояниях, например на малоразмерных транспортных (объектах-носителях), крыша здания и т.п., при излучении сигнала происходит искажение ДНА вследствие влияния расположенных рядом металлических переизлучающих предметов. Суть влияния переизлучающих предметов на характеристики излучения состоит в следующем. Каждый вибратор излучающей антенны 1 (фиг. 1) расположен вблизи металлической поверхности 2, является элементарной антенной, имеющей круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости. Энергия волны излучателя, попадающая на расположенную рядом переизлучающую металлическую поверхность 2, отражается от нее в направлении, для которого соблюдается равенство угла падения и отражения волны, отраженная волна попадает на другой вибратор антенны и изменяет амплитуду и фазу тока в вибраторе, поскольку этот ток представляет собой результат сложения тока, обусловленного подводимым к излучающей антенне 1 питанием и тока, наведенного отраженной волной. Суммарный эффект от воздействия всех отраженных от переизлучающей металлической поверхности 2 волн, обусловленных излучениями в сторону отражающей поверхности каждого вибратора, может существенно изменить коэффициент усиления излучающей антенны 1 и ее диаграмму направленности.
Излучающая антенна в экранирующем корпусе в открытой публикации из всех доступных источников не найдена.
Таким образом, технический результат изобретения заключается в обеспечении защиты излучающей антенны от воздействия переизлучающих элементов конструкции в интересах парирования их негативного влияния на параметры ДНА.
Поставленная задача достигается тем, что излучающую антенну устанавливают на плоскую пластину внутри экранирующего корпуса, состоящего из проводящих пластин, имеющих форму усеченного конуса, кромка торца основания которого соединена с кромкой обечайки, а кромка торца вершины соединена с кромкой плоской пластины.
Возможны другие конструктивные решения выполнения экранирующего корпуса, как, например:
- упомянутые проводящие пластины выполнены в форме усеченной пирамиды, кромка торца основания которого соединена с кромкой обечайки, а кромка торца вершины соединена с кромкой плоской пластины;
- упомянутая обечайка выполнена в виде прямоугольника, у которого две противоположные стороны имеют продолжение в виде трапеции, взаимодействующей с наклонными поверхностями и плоской пластиной;
- упомянутый экранирующий корпус выполнен в виде трех боковых пластин, одной наклонной пластины и плоской пластины.
Возможно крепление излучающей антенны на стыке соединения наклонной поверхности и плоской поверхности экранирующего корпуса.
Сущность изобретения поясняется фиг.1-12.
На фиг. 1 показано движение волны при размещении излучающей антенны вблизи металлической поверхности, на фиг. 2 показан общий вид излучающей антенны, на фиг. 3 показан общий вид излучающей антенны, установленной в экранирующем корпусе, на фиг. 4 показано сечение экранирующего корпуса, на фиг. 5 показано движение волны при размещении излучающей антенны, расположенной внутри экранирующего корпуса вблизи металлической поверхности, на фиг. 6 показан общий вид излучающей антенны установленной в экранирующем корпусе (вариант исполнения экранирующего корпуса в виде усеченной пирамиды, кромка торца основания которого соединена с кромкой обечайки, а кромка торца вершины соединена с кромкой плоской пластины), на фиг. 7 показано сечение экранирующего корпуса (вариант исполнения экранирующего корпуса в виде усеченной пирамиды, кромка торца основания которого соединена с кромкой обечайки, а кромка торца вершины соединена с кромкой плоской пластины), на фиг. 8 показаны основные электрические характеристики излучающей антенны без экранирующего корпуса и установленной в экранирующем корпусе в заданном диапазоне частот (1,3…1,7 ГГц) в свободном пространстве, на фиг. 9 показано условие размещения излучающей антенны без экранирующего корпуса и установленной в экранирующем корпусе в неблагоприятных с точки зрения возможных переизлучений условиях, на фиг. 10 показаны диаграммы направленности излучающей антенны в свободном пространстве и вблизи переизлучающих элементов, на фиг. 11 показаны диаграммы направленности излучающей антенны, установленной в экранирующем корпусе, находящейся в свободном пространстве и вблизи переизлучающих элементов, на фиг. 12 показаны варианты конструкции экранирующего корпуса и размещения в нем излучающей антенны.
Излучающая антенна в экранирующем корпусе состоит из излучающей антенны 1 и экранирующего корпуса 3.
Экранирующий корпус 3 состоит из проводящих пластин, выполненных в виде усеченного конуса 3.2, обечайки 3.1 и плоской пластины 3.3.
Усеченный конус 3.2 кромкой основания взаимодействует с кромкой обечайки 3.1 и кромкой вершины взаимодействует с кромкой плоской пластины 3.3.
Излучающая антенна 1 устанавливается внутри экранирующего корпуса 3 на плоской пластине 3.3.
Обечайка 3.1 изолирует боковые излучения вибраторов излучающей антенны 1. Усеченный конус 3.2 является отражателем, усиливающим излучения вибраторов излучающей антенны 1, выражающиеся в перенаправлении излучения задних лепестков излучающей антенны 1 в направлении максимума диаграммы направленности. Плоская пластина 3.3 служит основанием для крепления излучающей антенны 1.
Работа излучающей антенны в экранированном корпусе осуществляется следующем образом. При подаче тока на излучающую антенну 1 вибраторы излучают электромагнитные волны в заднюю полусферу, распространению которых в заданную полусферу препятствует экранирующий корпус 3. Излучение в указанную область пространства возможно только из-за наличия токов, наведенных излучениями вибраторов излучающей антенны 1 (волна V1 на фиг. 5) на передней кромке обечайки 3.1. При условии (это условие выполнимо практически во всех случаях), что в передней полусфере отсутствует переизлучающий предмет (металлическая поверхность 2), отраженная от переизлучающих предметов (металлическая поверхность 2) волна может попасть на обечайку 3.1 только при отражении по нормали к поверхности предмета (волна V2 на фиг. 5). Все другие волны, излучаемые кромкой обечайки 3.1, например волна V4, по законам отражения будут направлены в заднюю полусферу (волна V5 на фиг. 5), и не попадут на кромку обечайки 3.1, и соответственно не могут быть переизлучены кромкой обечайки 3.1 на вибраторы излучающей антенны 1. Доля энергии волны от переизлучающих предметов (металлическая поверхность 2), обусловленная отражениями от них (волна V3 на фиг. 5), будет незначительной, так как большая часть энергии уйдет в направлениях, отличных от нормали к отражающей поверхности.
Оценка эффективности предлагаемой излучающей антенны в экранирующем корпусе проверена путем сравнительного имитационного моделирования на ЭВМ процессов излучения энергии излучающей антенны и излучающей антенны в экранирующем корпусе, имеющими одинаковые электрические характеристики, помещенные в одинаковые условия.
Проведены сравнительные испытания излучающей антенны 1 (8-элементная логопериодическая антенна фиг. 2) в свободном пространстве и излучающей антенны 1, установленной в экранирующем корпусе 3 (6-элементная логопериодическая антенна фиг. 3).
Размеры и форма экранирующего корпуса 3 выбирались из условия соответствия электрических характеристик предлагаемой излучающей антенны 1 в экранированном корпусе 3 с излучающей антенной 1 без экранирующего корпуса 3. При оптимизации характеристик излучающих антенн 1 оказалось, что введение экранирующего корпуса 3 при увеличении габаритного размера в плоскости, перпендикулярной оси излучения в 1,45 раза привело к снижению габарита излучающей антенны по оси в 2 раза, снизив, таким образом, максимальный габаритный размер излучающей антенны в два раза. Указанное обстоятельство обусловлено возрастанием усиления за счет перенаправления усеченным конусом 3.2 задних лепестков излучения антенны в сторону максимума излучения и снижения за счет этого количества вибраторов. Основные характеристики излучающей антенны 1 и излучающей антенны 1, установленной в экранированном корпусе 3 в заданном диапазоне частот (1,3…1,7 ГГц), работающей в свободном пространстве, приведены на фиг. 8. На графике коэффициента стоячей волны напряжения (КСВН) видно, что КСВН излучающей антенны 1, установленной в экранирующий корпус 3 ,меньше, чем у излучающей антенны 1, работающей в свободном пространстве.
Проведен сравнительный анализ работы излучающей антенны 1 и излучающей антенны 1, установленной в экранирующем корпусе 3, при их размещении вблизи переизлучающих элементов металлической поверхности 2. Моделировалась ситуация размещения излучающей антенны 1 и излучающей антенны 1, установленной в экранирующем корпусе 3 вблизи двух взаимно перпендикулярных проводящих пластин, имеющих металлическую поверхность 2 (фиг. 9).
Полученный результат моделирования ДНА с учетом переизлучений приведены на фиг. 10 и фиг. 11.
Из графика (фиг. 10) следует, что во всем заданном частотном диапазоне происходит влияние отражений от металлических поверхностей 2 на работу излучающей антенны 1, которое приводит к искажению формы главного лепестка диаграммы направленности, заключающейся в уменьшении ширины главного лепестка с отклонением максимума излучения от заданного направления на 15…35°.
Из графика (фиг. 11) следует, что во всем заданном частотном диапазоне не происходит влияния от металлических поверхностей 2 на работу излучающей антенны 1, размещенной в экранирующем корпусе 3. Излучающая антенна 1, установленная в экранирующем корпусе 3, работает практически так же, как и излучающая антенна в свободном пространстве.
Возможны другие конструктивные решения выполнения экранирующего корпуса 3 в виде экранирующего корпуса 4, когда усеченный конус 3.2 выполнен в виде усеченной пирамиды 4.2, обечайка 3.1, имеющая цилиндрическую форму, выполнена в виде обечайки 4.1, имеющей форму многогранника, плоская пластина 3.3, имеющая круглую форму, выполнена в виде плоской пластины 4.3, имеющей форму многоугольника.
Возможно и другое конструктивное решение выполнения экранирующего корпуса 3 в виде экранирующего корпуса 5, когда две стороны обечайки 5.1 имеют продолжение в виде трапеций 5.3, взаимодействующих с наклонными поверхностями 5.2 и плоской пластиной 5.4.
Возможно и другое конструктивное решение выполнения экранирующего корпуса 3 в виде экранирующего корпуса 6, когда экранирующий корпус 6 имеет боковые проводящие листы 6.1, 6.2, 6.3, наклонный лист 6.4 и плоскую пластину 6.5.
Установка излучающей антенны 1 осуществляется на плоской пластине 3.3 или 4.3 или 5.4 или 6.5, но возможна установка излучающей антенны 1 и на стыке соединения наклонной поверхности 6.4 и плоской пластины 6.5 экранирующего корпуса 6.
Данное техническое решение позволяет обеспечить требуемую конфигурацию и параметры ДНА в условиях негативного влияния на процесс формирования близко расположенных переизлучающих элементов конструкции объекта, на котором размещена эта излучающая антенна.
Литература
1. Айзенберг Г.З. и др. Антенны УКВ. Под ред. Г.З. Айзенберг. В 2-х ч. Часть 2. - М.: «Связной». 1977 - с. 122-135.
2. Патент на изобретение №2185696, RU, Уголковая антенна, МПК H01Q 15/18, H01Q 19/185, опубликован 20.07.2002.
3. Кочержевский Г.Н. и др. Учебник для вузов/ Г.Н. Кочержевский, ГА. Ерохин, Н.Д. Козырев. - М.: Радио и связь, 1989 - 352 с: ил. - с. 167-173.