ВСЕНАПРАВЛЕННАЯ ДИРЕКТОРНАЯ АНТЕНА

Полезная модель предназначена для использования в составе радиотехнических устройств телевидения, радиовещания и радиосвязи в декаметровом, метровом, дециметровом и сантиметровом диапазонах волн. Известна антенна вертикальной поляризации с круговой диаграммой направленности (ДН) в горизонтальной плоскости [1]. Она состоит из одного активного несимметричного полуволнового или петлевого вибратора, подключенного к центральной жиле коаксиального питания, радиально расходящихся проводящих штанг-противовесов, подключенных к оплетке кабеля, и ряда пассивных директоров, параллельных активному вибратору и закрепленных на штангах-противовесах. При этом директоры могут быть выполнены в виде симметричных полуволновых вибраторов, закрепленных на штанге через изолирующий материал, или в виде несимметричных четвертьволновых вибраторов, одним краем приваренных к противовесу. В такой антенне противовесы, являясь линейными проводниками, недостаточно экранируют излучение антенны в нижнее полупространство. Кроме этого, расположение директоров вдоль радиально расходящихся лучей с увеличением общей направленности антенны приводит к сильной неравномерности ДН в плоскости, перпендикулярной вибраторам.
Однако в секторе углов между директорами возможна частичная компенсация полей, приводящая к неравномерности диаграммы направленности.
Форма активного вибратора в виде проводника, разомкнутого посередине и подключенного в точках размыкания к линии питания выбрана для использования в более узкой полосе частот.
Техническим результатом полезной модели является повышение коэффициента направленного действия антенны при всенаправленности в одной плоскости.
Для достижения указанного технического результата предлагается всенаправленная директорная антенна, состоящая из одного активного вибратора в виде проводника, разомкнутого посередине и подключенного в точках размыкания к линии питания, и множества пассивных вибраторов-директоров в виде проводников, расположенных параллельно активному вибратору так, что средние точки активного и пассивных вибраторов находятся в одной плоскости. При этом пассивные вибраторы-директоры располагаются так, что их средние точки расположены вдоль окружностей, центр которых совпадает со средней точкой активного вибратора, на одинаковом вдоль дуги окружности расстоянии от средних точек соседних пассивных вибраторов - директоров. На каждую окружность приходится не менее трех пассивных вибраторов-директоров. Длина активного вибратора составляет около половины длины электромагнитной волны, длина пассивных вибраторов-директоров меньше длины активного вибратора, причем длины пассивных вибраторов-директоров, относящихся к одной окружности, равны.
Для повышение коэффициента направленного действия антенны при всенаправленности в одной плоскости в предлагаемой полезной модели директоры размещаются не вдоль радиальных лучей, а по расходящимся окружностям. При этом число директоров на окружностях и их взаимные смещения могут быть различными. За счет увеличения числа пассивных директоров на окружности, числа окружностей или поворота директоров одной окружности относительно директоров другой окружности фокусируется излучение также в промежуточных (относительно радиальных) направлениях. Благодаря этому уменьшается неравномерность ДН в плоскости, перпендикулярной вибраторам, и форма ДН приближается к круговой и повышается коэффициент направленного действия антенны. По мере увеличения радиуса окружностей, вдоль которых расположены пассивные вибраторы-директоры, то есть по мере удаления пассивных вибраторов-директоров от активного вибратора, длины пассивных вибраторов-директоров не изменяются.
Полезная модель поясняется чертежами, на которых:
- фиг. 1 - всенаправленная директорная антенна с активным вибратором в виде отрезка провода и 12 пассивными вибраторами-директорами;
- фиг. 2 - сечение всенаправленной директорной антенны плоскостью, перпендикулярной вибраторам-директорам;
- фиг. 3 - сечение всенаправленной директорной антенны плоскостью, содержащей активный вибратор.
Всенаправленная директорная антенна (фиг. 1) содержит один активный вибратор 1 и множество пассивных вибраторов-директоров 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 и 13. Активный вибратор 1 представляет собой проводник длиной около половины длины электромагнитной волны, разомкнутый в середине. К точкам размыкания 14, 15 проводника подключается линия питания. Пассивные вибраторы-директоры 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 и 13 представляют собой проводники, параллельные активному вибратору 1 и имеющие длину меньшую, чем активный вибратор.
Средние точки активного и пассивных вибраторов-директоров расположены в одной плоскости. При этом пассивные вибраторы-директоры 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 и 13 располагаются по окружностям 16 и 17, центры которых совпадают друг с другом и с активным вибратором 1 (фиг. 2). Расстояния между соседними пассивными вибраторами-директорами 2 и 3, 3 и 4, 4 и 5, 5 и 2, расположенными на окружности 16, равны. Также равны расстояния между пассивными вибраторами-директорами 6 и 7, 7 и 8, 8 и 9, 9 и 10, 10 и 11, 11 и 12, 12 и 13, 13 и 6, расположенными на окружности 17.
Длины пассивных вибраторов-директоров 2, 3, 4 и 5 равны друг другу. Также равны длины пассивных вибраторов-директоров 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 и 13. При этом длины пассивных вибраторов-директоров 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 и 13 равны длинам пассивных вибраторов-директоров 2, 3, 4 и 5 (фиг. 3).
Всенаправленная директорная антенна работает следующим образом.
При подключении питания в точках 14, 15 к активному вибратору 1 в нем образуется стоячая волна тока, и активный вибратор начинает излучать электромагнитные волны. Поскольку длина активного вибратора близка к половине длины электромагнитной волны, то максимум излучения ориентирован по нормали к оси активного вибратора.
Электромагнитное поле активного вибратора возбуждает токи в пассивных вибраторах-директорах 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 и 13, приводя в движение имеющиеся в них свободные электроны. Длина пассивных вибраторов-директоров меньше длины активного вибратора, поэтому в них также образуется стоячая волна тока. В результате пассивные вибраторы-директоры создают вторичные электромагнитные волны, максимум интенсивности излучения которых приходится на направление, перпендикулярное к оси пассивных вибраторов-директоров, расположенных на одном радиусе окружностей.
Длина пассивных вибраторов-директоров 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 и 13 меньше длины активного вибратора 1. За счет этого достигается емкостной характер сопротивления пассивных вибраторов-директоров, в связи с чем ток в пассивных вибраторах-директорах отстает по фазе от тока в активном вибраторе. Поле всенаправленной директорной антенны в дальней зоне является суперпозицией первичного и вторичного электромагнитных полей, создаваемых активным вибратором 1 и пассивными вибраторами-директорами 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 соответственно. В плоскости, перпендикулярной пассивным вибраторам-директорам, в направлении от активного вибратора 1 к любому из пассивных вибраторов-директоров, например, 2 лежащем с первым на одном радиусе фазовые сдвиги, получаемые полями в результате прохождения расстояний от одного вибратора к другому, будут компенсироваться фазовыми сдвигами, возникающими за счет разности фаз между токами в вибраторах 1 и 2 и 1 и 3 и т.д. В результате все поля в направлении радиуса окружностей будут складываться в фазе. В силу симметрии эта ситуация будет иметь место в направлении любого из директоров.
В плоскости, проходящей через активный вибратор, всенаправленная директорная антенна работает подобно антенне «волновой канал». В направлениях, перпендикулярных вибраторам 1 и 2, 1 и 3, 1 и 4 и т.д., как обосновано выше, первичное и вторичное поля складываются в фазе, что приводит к повышению направленности в рассматриваемой плоскости по сравнению с одиночным вибратором.
Работоспособность предложенной всенаправленной антенны подтверждается приведенными в приложении результатами компьютерного моделирования этой антенны в программе MMANA-GAL Pro 2.5.5.30.
- фиг. 4 - диаграмма направленности антенны с 4 пассивными вибраторами-директорами (фиг. 2, активный вибратор 1 и пассивные вибраторы-директоры 2, 3, 4, 5) в плоскости, перпендикулярной вибраторам (в плоскости всенаправленности);
- фиг. 5 - диаграмма направленности антенны с 4 пассивными вибраторами-директорами (фиг. 2, активный вибратор 1 и пассивные вибраторы-директоры 2, 3, 4, 5) в плоскости, проходящей через активный вибратор;
- фиг. 6 - диаграмма направленности антенны с 12 пассивными вибраторами-директорами (фиг. 2, активный вибратор 1, пассивные вибраторы-директоры 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13), расположенными по двум окружностям, в плоскости, перпендикулярной вибраторам (в плоскости всенаправленности);
- фиг. 7 - диаграмма направленности антенны с 12 пассивными вибраторами-директорами (фиг. 2, активный вибратор 1, пассивные вибраторы-директоры 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13), расположенными по двум окружностям, в плоскости, проходящей через активный вибратор.
По данным компьютерного моделирования выигрыш в коэффициенте направленного действия от применения 4 пассивных вибраторов-директоров по сравнению с одиночным вибратором составляет около 1,9 дБ.
Предложенная всенаправленная директорная антенна в плоскости, перпендикулярной вибраторам, сохраняет всенаправленность, а в плоскости, параллельной им, имеет повышенный коэффициент направленного действия антенны по сравнению с одиночным вибратором.
ЛИТЕРАТУРА
1. [1] Федун И.В. Вибраторная антенна вертикальной поляризации … / Патент UA 88309 С2 от 12.10.2009 г.