ШИРОКОПОЛОСНАЯ ТУРНИКЕТНАЯ ЩЕЛЕВАЯ АНТЕННА
BROADBAND TURNSTILE SLIT ANTENNA

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к радиоантеннам, в частности к широкополосным антенным системам с горизонтальной поляризацией поля излучения, имеющим круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости, малый коэффициент стоячей волны, 1,15 и менее, в широкой полосе частот. Такие антенны необходимы для передачи и приема радиосигналов, телевизионных сигналов, в системах слепой посадки самолетов, в радионавигационных радиомаяках и других радиосистемах.
Уровень техники
Из уровня техники известна широкополосная турникетная щелевая антенна (патент РФ №2401492 «Широкополосная турникетная щелевая антенна», МПК H01Q 13/00, опубл. 10.10.2010), выбранная в качестве прототипа. Указанная антенна содержит множество пар проводящих пластин, каждая пара пластин расположена в одной из N плоскостей, где N≥1, делитель мощности и линии передачи электромагнитной энергии, множество М вертикальных стоек с отверстиями, где М≥2, N устройств согласования, верхний и нижний кронштейны, при этом множество N плоскостей образует пучок плоскостей с вертикальной осью; контур каждой пластины состоит из прямолинейной вертикальной кромки с К уступами, где К≥1, верхней кромки, нижней кромки и прямолинейной вертикальной кромки, противолежащей кромке с уступами; каждая пластина вертикальной кромкой с уступами совмещена с упомянутой осью пучка, причем пластины гальванически соединены друг с другом с образованием уступами К щелей; стойки соединены с верхним и нижним кронштейнами с образованием опоры антенны; пластины соединены с опорой антенны.
Однако указанная антенна имеет недостатки. Ее полоса согласования с фидером на уровне коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) ниже 1,15 ограничена несколькими телевизионными каналами. Другой недостаток заключается в то, что на форму диаграммы направленности антенны и согласование оказывает влияние расположение фидеров на пластинах.
Раскрытие изобретения
Технической задачей настоящего изобретения является расширение полосы согласования антенны с фидером, устранение зависимости ее диаграммы направленности и согласования от расположения фидеров на пластинах.
Поставленная техническая задача достигается тем, что антенная система, содержащая множество пар проводящих пластин, каждая пара пластин расположена в одной из N плоскостей, где N≥1, делитель мощности и линии передачи электромагнитной энергии, множество М вертикальных стоек с отверстиями, где М≥2, N устройств согласования, верхний и нижний кронштейны, при этом множество N плоскостей образует пучок плоскостей с вертикальной осью; контур каждой пластины состоит из прямолинейной вертикальной кромки с К уступами, где К≥1, верхней кромки, нижней кромки и прямолинейной вертикальной кромки, противолежащей кромке с уступами; каждая пластина вертикальной кромкой с уступами совмещена с упомянутой осью пучка, причем пластины гальванически соединены друг с другом с образованием уступами К щелей; стойки соединены с верхним и нижним кронштейнами с образованием опоры антенны; пластины соединены с опорой антенны, дополнительно содержит N трубчатых экранов, на каждой пластине выполнено дополнительно L вертикальных щелей, где L≥1, и Р горизонтальных щелей, где Р≥0, при этом каждый из N трубчатых экранов расположен на одной из указанных N пар пластин с образованием гальванического контакта с пластиной на участке соприкосновения экрана с пластиной; один из торцов трубчатого экрана расположен в непосредственной близости к кромке соответствующей щели, часть экрана с другим торцом выведена через отверстие в стойке за пределы пластины; каждая линия передачи к N щелям размещена внутри соответствующего трубчатого экрана, при этом внешний проводник на конце каждой линии передачи гальванически соединен с одной из пластин в каждой из упомянутых пар пластин и с торцом соответствующего трубчатого экрана, а центральный проводник продолжен в область щели и далее соединен с центральным проводником соответствующего согласующего устройства, связанным гальванически со второй пластиной из упомянутой пары пластин; линии передачи своими вторыми концами соединены с делителем мощности.
Введение дополнительно в состав антенны трубчатых экранов, размещение их непосредственно на пластинах указанным выше образом, размещение в них фидеров и гальваническое соединение фидеров с торцами и кромками пластин позволило устранить зависимость ее диаграммы направленности и согласования от расположения фидеров на пластинах. Выполнение на пластинах дополнительных щелей позволило расширить полосу согласования антенны с фидером до 60%, что в частности позволяет обеспечить одновременное излучение телевизионных сигналов любых телевизионных каналов в дециметровом диапазоне частот.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлена в изометрии широкополосная щелевая турникетная антенна в разобранном виде с двумя парами пластин в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.2 представлена широкополосная щелевая турникетная антенна в собранном виде с двумя парами пластин в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.3 дан вид сверху на антенну в собранном виде, представленную на фиг.2.
На фиг.4 представлен другой вариант широкополосной щелевой турникетной антенны в разобранном виде, в которой третья и четвертая металлические пластины выполнены в виде одной плоской пластины.
На фиг.5 приведен другой вариант широкополосной щелевой турникетной антенны, в которой пластины первая и четвертая, третья и вторая попарно объединены с образованием прямых пространственных двугранных углов.
На фиг.6 представлен другой вариант широкополосной щелевой турникетной антенны, в которой пластины выполнены с вырезом треугольной формы.
На фиг.7 представлен первый макет турникетной щелевой антенны.
На фиг.8 приведены декартова и сферическая системы координат.
На фиг.9 приведена диаграмма направленности двухсторонней щелевой антенны, выполненной на пластинах 2 и 3 в плоскости вектора Е первого макета антенны.
На фиг.10 приведена диаграмма направленности двухсторонней щелевой антенны, выполненной на пластинах 4 и 5 в плоскости вектора Е первого макета антенны.
На фиг.11 приведена диаграмма турникетной щелевой антенны в плоскости вектора Е первого макета антенны.
На фиг.12 представлен второй макет антенны.
На фиг.13 приведены расчетная (сплошная линия) и экспериментальная (пунктирная линия) диаграммы направленности второго образца антенны, выполненной на пластинах 2 и 3 в плоскости вектора Е второго макета антенны.
На фиг.14 приведены расчетная (сплошная линия) и экспериментальная (пунктирная линия) диаграммы направленности второго образца антенны, выполненной на пластинах 4 и 5 в плоскости вектора Е.
На фиг.15 приведены расчетная и экспериментальная диаграммы направленности второго образца турникетной антенны в плоскости вектора Е.
На фиг.16 представлена зависимость КСВН от частоты для образца антенны по настоящему изобретению.
Обратимся теперь к фиг.1, на которой представлена турникетная щелевая антенна 1 с двумя парами пластин в соответствии с настоящим изобретением. Обозначения дополнительных элементов начинаются с числа 101. Антенна 1 содержит первую 2, вторую 3, третью 4 и четвертую 5 плоские проводящие пластины, четыре стойки 6, 7, 8 и 9, делитель мощности 10 с входом 11 и с первым 12 и вторым 13 выходами, первый 14 и второй 15 фидеры, первое согласующее устройство 16, второе согласующее устройство 17, верхний и нижний кронштейны (кронштейны на фиг.1 не показаны), первый 101 и второй 102 трубчатые экраны, которые имеют гальванический контакт с пластинами 2, 4, соответственно, на всем участке их соприкосновения друг с другом. Все четыре пластины одинаковы. Каждая из пластин 2-5 имеет вертикальную кромку 18 с уступом 19, верхнюю кромку 20, нижнюю кромку 21 и прямолинейную вертикальную кромку 22. Обозначения кромок указаны на четвертой пластине. На каждой из пластин 2-5 выполнены прямоугольные щели 103 и 104. Пластины 2 и 3 лежат в первой плоскости 23, пластины 4 и 5 лежат во второй плоскости 24, ортогональной к плоскости 23. Линия пересечения плоскостей 23 и 24 - вертикальная прямая линия 25.
Пластины 2-5 выполнены из хорошо проводящего материала, такого как алюминиевый сплав, медный сплав или сталь. Возможно применение фольгированных диэлектрических пластин. Стойки 6, 7, 8 и 9, верхний и нижний кронштейны могут быть выполнены из алюминиевых, латунных или стальных труб, швеллеров, уголков или иного проката или высокочастотного диэлектрика. В качестве фидера применен стандартный коаксиальный кабель. Согласующие устройства 16 и 17 выполнены в виде отрезков коаксиального кабеля. Делитель мощности рассчитывается по известным формулам, приведенным в учебниках по технической электродинамике или в справочниках по устройствам СВЧ. Обтекатель (на фиг.1 не показан) выполнен из высокочастотного диэлектрика.
Указанные выше устройства соединены между собой следующим образом (фиг.2). Первая 2, вторая 3, третья 4 и четвертая 5 пластины гальванически соединены между собой кромками 18 с образованием прямых двухгранных углов 26 с общей прямой 25 - ребром двугранного угла, называемым далее вертикальной осью 25 антенны. В плане полученное устройство имеет форму креста (Фиг.3). Уступы 19 на кромках 18 на первой 2 и второй 3 пластинах при гальваническом соединении пластин образуют первую щель 27 с кромками 28 и 29, параллельными оси 25. Уступы 19 на кромках 18 на третьей 4 и четвертой 5 пластинах при гальваническом соединении пластин образуют вторую щель 30 с кромками 31 и 32, параллельными оси 25. Стойки 6, 7, 8 и 9 выполнены из металла, пластины 2-5 соединены со стойками и с верхним и нижним кронштейнами с образованием гальванического контакта между пластинами и стойками, между пластинами и верхним и нижним кронштейнами. Первый трубчатый экран 101 имеет гальванический контакт с первой пластиной 2 на всем участке их соединения. Второй трубчатый экран 102 имеет гальванический контакт с третьей пластиной 4 на всем участке их соединения.
Один из торцов трубчатого экрана 101 расположен в непосредственной близости к кромке 28 щели 27, часть трубчатого экрана с другим торцом выведена через отверстие в стойке 6 за пределы пластины; фидер 14 размещен внутри первого трубчатого экрана, при этом внешний проводник фидера гальванически соединен с пластиной 2 и с упомянутым торцом первого трубчатого экрана, а центральный проводник продолжен в область щели 27 и далее соединен с центральным проводником согласующего устройства 16, связанным гальванически с пластиной 3; фидер своим вторым концом соединен с выходом 12 делителя мощности 10.
Один из торцов трубчатого экрана 102 расположен в непосредственной близости к кромке 31 щели 30, часть трубчатого экрана с другим торцом выведена через отверстие в стойке 8 за пределы пластины; фидер 15 размещен внутри второго трубчатого экрана, при этом внешний проводник фидера гальванически соединен с пластиной 4 и с упомянутым торцом второго трубчатого экрана, а центральный проводник продолжен в область щели 30 и далее соединен с центральным проводником согласующего устройства 17, связанным гальванически с пластиной 5; фидер своим вторым концом соединен с делителем мощности 10.
Длины первого 14 и второго 15 фидеров равны друг другу. Стойки 6-9 крепятся к верхнему и нижнему кронштейнам для придания жесткости конструкции антенны. Нижний кронштейн имеет отверстия для крепления антенны на мачте или башне. При этом верхний и нижний кронштейны выполнены в виде креста, диска или иной формы.
В другом варианте соединения стойки 6-9 соединены с верхним и нижним кронштейнами, пластины имеют гальванический контакт с верхним и нижним кронштейнами, при этом между пластинами и стойками образован зазор. В другом варианте соединения пластины соединены со стойками с образованием гальванического контакта, стойки соединены с верхним и нижним кронштейнами, при этом между пластинами и верхним и нижним кронштейнами образованы зазоры.
В другом варианте антенны 1 (Фиг.4) третья 4 и четвертая 5 пластины выполнены совместно в виде одной пластины 41, в которой выполнены упомянутые щель 30, щели 103 и 104.
В другом варианте антенны 1 (Фиг.5) первая и четвертая пластины выполнены совместно в виде двугранной пластины 42, а вторая и третья пластины выполнены в виде двугранной пластины 43. В двухгранных пластинах 42 и 43 выполнены отверстия 44 и 45, которые при гальваническом соединении пластин 42 и 43 друг с другом образуют упомянутые щели 27 и 30.
Предпочтительно пластины 2-5 имеют форму прямоугольника. Однако возможны пластины иной конфигурации. На фиг.6 приведен пример выполнения антенн с пластинами 2-5 с вырезом треугольной формы. Возможны такие конфигурации пластин 2-5, что при их соединении образуются пластины с формой, которую называют "крылом летучей мыши".
Антенна работает в режиме передачи следующим образом. Мощность генератора, поступающая на вход 11 (фиг.3) делителя мощности 10, делится на две равные части. При этом сигналы на выходах 12 и 13 делителя равны друг другу по амплитуде и сдвинуты по фазе на 90 градусов. Щель 27 возбуждается отрезком центрального проводника 34 фидера 14, расположенным в области между кромками 28 и 29. Щель 30 возбуждается отрезком центрального проводника 38 фидера 15, расположенным в области между кромками 31 и 32.
Щелевая антенна, реализованная первой 2, второй 3 пластинами и щелью 27, формирует в плоскости, ортогональной оси 25, первую диаграмму направленности в виде "восьмерки". При этом максимумы диаграммы направленности направлены перпендикулярно к плоскости 23, в которой расположены первая 2 и вторая 3 пластины.
Щелевая антенна, реализованная третьей 4, четвертой 5 пластинами и щелью 30, формирует в плоскости, ортогональной оси 25, вторую диаграмму направленности в виде "восьмерки". При этом максимумы диаграммы направленности направлены перпендикулярно к плоскости 24, в которой расположены третья 4 и четвертая пластины 5. В результате при графическом изображении "восьмерки", отображающие упомянутые первую и вторую диаграммы направленности, развернуты в горизонтальной плоскости относительно друг друга на 90°. Сигналы, излучаемые первой и второй щелевыми антеннами, сдвинуты между собой в пространстве по фазе на 90°. В результате сложения в пространстве сигналов, излучаемых первой и второй щелевыми антеннами, формируется диаграмма направленности в виде круга.
Первый макет турникетной щелевой антенны
2
2
Был изготовлен первый макет турникетной антенны (фиг.7). При описании этого и последующих образцов антенны мы ссылаемся на цифровые обозначения фиг.1-4. Первый макет 1 состоит из первой 2, второй 3, третьей 4 и четвертой 5 пластин, делителя мощности 10 на два направления, первого 14 и второго 15 фидера. Пластины 2-5 выполнены из луженой жести толщиной 0,3 мм. Макет изготовлен следующим образом. Были изготовлены два экземпляра пластины размером 400×210 мм. В центре каждой пластины параллельно стороне длиною 400 мм прорезана щель с размерами 275×20 мм. Первый экземпляр пластины применен в образце в качестве третьей 4 и четвертой 5 пластин со второй щелью 30. Для выполнения первой 2 и второй 3 пластин второй экземпляр изготовленной пластины был разрезан по прямой линии, совпадающей с осью щели. Полученные две пластины 2 и 3 припаяны к первому экземпляру пластины с образованием первой щели 27. В результате получено устройство, имеющее в плане вид креста. Двугранные углы, образованные пластинами, каждый равен 90°. К первой пластине рядом с кромкой 28 щели 27 припаяна оплетка первого фидера 14 - коаксиального кабеля РК-50-2-21. Кабель уложен непосредственно на пластине. На участке непосредственно за кромкой 28 оболочка и внешний проводник кабеля удалены, центральный проводник 34 коаксиального кабеля 14 продолжен в область щели 27 и припаян к кромке 29 щели 27 на второй пластине 3. Расстояние от места припайки кабеля до узкой (нижней) кромки щели равно 55 мм. К третьей пластине 4 в окрестности кромки 31 щели 30 припаяна оплетка второго фидера 15 - коаксиального кабеля РК-50-2-21. На участке непосредственно за кромкой 31 оболочка и внешний проводник кабеля удалены, центральный проводник 28 кабеля продолжен в область щели 9 и припаян к кромке щели 32 на четвертой пластине 5. Места распайки первого 14 и второго 15 фидеров к пластинам разнесены по разные стороны от центра щелей. Если отсчитывать расстояние от узкого (нижнего) края первой щели до места распайки второго фидера, то это расстояние равно 220 мм. Первый 14 и второй 15 фидеры, в качестве которых применен радиочастотный кабель РК-50-2-21, имеют равную длину. В качестве делителя мощности 10 на два направления использован 3 дБ квадратурный направленный ответвитель на связанных полосковых линиях, который, как известно, обеспечивает деление мощности на две равные части и 90° сдвиг по фазе между выходными сигналами.
На фиг.8 представлена сферическая система координат.
На фиг.9 приведены нормированные экспериментальная и расчетная диаграммы направленности двухсторонней щелевой антенны, выполненной на пластинах 2 и 3 в плоскости вектора Е. На фиг.10 приведены нормированные экспериментальная и расчетная диаграммы направленности двухсторонней щелевой антенны, выполненной на пластинах 4 и 5 в плоскости вектора Е. На фиг.10 приведены нормированная экспериментальная и расчетная диаграммы направленности первого макета турникетной антенны в плоскости вектора Е. Нормировка диаграммы выполнена относительно среднеквадратичного уровня сигнала в плоскости вектора Е.
Расчетные диаграммы направленности найдены путем решения электродинамической задачи прямым временным методом. Краевые задачи, сформулированные для непрерывного континуума, редуцированы к вариационно- и проекционно-сеточным моделям. Экспериментальные диаграммы направленности измерены в дальней зоне "методом вышки".
Экспериментальная и расчетная диаграммы направленности двухсторонних щелевых антенн имеют симметричный двухлепестковый вид (восьмерки). Максимумы лепестков в экспериментальной диаграмме направленности двухсторонней щелевой антенне, выполненной на пластинах 2-3, по величине равны между собой. Максимумы лепестков в экспериментальной диаграмме направленности антенны, выполненной на пластинах 4-5, отличаются друг от друга в 1,07 раза. Экспериментальные диаграммы направленности первой и второй из упомянутых антенн на уровне минус три дБ уже расчетных диаграмм примерно на 15%.
На фиг.11 приведены нормированные относительно среднеквадратического значения экспериментальная и расчетная амплитудные диаграммы направленности турникетной антенны. При этом первая и вторая двухсторонние щелевые антенны запитаны через направленный ответвитель сигналами равной амплитуды со сдвигом по фазе на 90°.
Наибольшие отклонения экспериментальной диаграммы направленности антенны от окружности равны ±1,5 дБ.
Второй макет турникетной антенны Был изготовлен второй макет турникетной антенны (фиг.12). Второй макет антенны отличается от первого распайкой фидеров. В состав макета введены дополнительно первая 101 и вторая 102 медные трубки. Первая трубка расположена на поверхности первой пластины 2. Торец трубки 101 совмещен с кромкой 28 щели 27 на пластине 2. По всей длине соприкосновения трубки с пластиной она имеет гальванический контакт с пластиной за счет пайки. Первый фидер 14 проложен внутри трубки 101. При выходе из трубки оплетка кабеля имеет гальванический контакт по всему периметру торца трубки и соответственно с пластиной 2. На участке непосредственно за кромкой 28 оболочка кабеля и внешний проводник кабеля удалены, центральный проводник 34 кабеля 14 продолжен в область щели и припаян к кромке 29 щели 27 на второй пластине 3. Торец трубки 102 совмещен с кромкой 31 щели 30 на пластине 4. По всей длине соприкосновения трубки с пластиной она имеет гальванический контакт с пластиной за счет пайки. Второй фидер 15 проложен внутри трубки 102. При выходе из трубки оплетка кабеля имеет гальванический контакт по всему периметру торца трубки. На участке непосредственно за кромкой 31 оболочка и внешний проводник кабеля удалены, центральный проводник 38 кабеля 15 продолжен в область щели 30 и припаян к кромке 32 щели на четвертой пластине 5.
На фиг.13 приведена нормированная экспериментальная диаграмма направленности в плоскости вектора Е двухсторонней щелевой антенны со щелью 27. На фиг.14 приведена нормированная экспериментальная диаграмма направленности в плоскости вектора Е двухсторонней щелевой антенны со щелью 30. На фиг.15 приведена нормированная экспериментальная диаграмма направленности второго макета турникетной антенны в плоскости вектора Е. Нормировка диаграмм на фиг.13-15 выполнена относительно среднеквадратичного уровня сигнала в плоскости вектора Е.
Для сравнения на фиг.13-15 приведены расчетные диаграммы направленности двухсторонних щелевых антенн и турникетной антенны. Максимумы лепестков в экспериментальной диаграмме направленности двухсторонней щелевой антенны, выполненной на пластинах 2 и 3, по величине отличаются между собой в 1,05 раза. Максимумы лепестков в экспериментальной диаграмме направленности антенны, выполненной на пластинах 4 и 5, отличаются друг от друга также в 1,05 раза. Экспериментальные диаграммы направленности первой и второй из упомянутых антенн уже расчетных примерно на 4%.
На фиг.15 приведены нормированные относительно среднеквадратического значения экспериментальная и расчетная амплитудные диаграммы направленности турникетной антенны в плоскости вектора Е. При этом первая и вторая двухсторонние щелевые антенны запитаны через направленный ответвитель сигналами равной амплитуды со сдвигом по фазе на 90°.
Наибольшие отклонения экспериментальной диаграммы направленности антенны от окружности равны +0,42 дБ и -0,72 дБ. Наибольшие отклонения расчетной диаграммы направленности антенны от окружности равны +0,17 дБ и -0,35 дБ.
Как отмечено выше, в эксперименте с первым макетом наблюдаются значительные отличия в уровне лепестков ДН, ширине лепестков, в форме диаграммы направленности первой и второй двухсторонних щелевых антенн. Эти отличия объясняются тем, что в стремлении к простоте конструкции не был выполнен должный гальванический контакт между внешним проводником коаксиального кабеля (оплетки коаксиального кабеля РК-50-2-11) и поверхностью пластины. Внешний проводник соединялся с пластиной (заземлялся) лишь в одной точке в окрестности кромки щели. В результате создавалась линия передачи, состоящая из внешней стороны внешнего проводника кабеля, поверхности пластины, между которыми находится диэлектрик в виде оболочки кабеля. При этом проводник (проволока), соединяющий между собой внешний проводник кабеля и пластину, выполняет роль возбудителя электромагнитных волн в упомянутой линии передачи. К входному сопротивлению антенны оказывается параллельно подключено входное сопротивление упомянутой линии передачи, которое в существенной мере зависит от того, как проложен кабель на поверхности пластины и за ее пределами. В результате в эксперименте наблюдается некоторая нестабильность в измерении входного сопротивления антенны и КСВН в линии передачи. В результате излучения волн упомянутой линией передачи наблюдается несимметрия в лепестках диаграммы направленности антенны. С введением в состав второго макета антенны дополнительно первого 101 и второго трубчатых 102 экранов (фиг.12) и соединения трубчатых экранов с пластинами и коаксиальных кабелей с трубчатыми экранами и пластинами, как описано выше, исчезает нестабильнось в измерении согласования антенны с фидером, снижается асимметрия в лепестках диаграммы направленности турникетной антенны.
Таким образом, благодаря введению трубчатых экранов, обеспечению должного гальванического соединения трубчатых экранов с пластинами путем их пайки на всем участке размещения трубчатых экранов на пластинах и соединения внешнего проводника кабеля с торцом трубчатого экрана устранена неравномерность экспериментальной диаграммы направленности в плоскости Е от ±1,5 дБ до величины, близкой к расчетной ±0,3 дБ. На фиг.16 представлена зависимость КСВН от частоты для образца антенны по настоящему изобретению. Как видно из рассмотрения графика на фиг.16, ширина полосы согласования на уровне 1,23 составляет не менее 66 процентов от средней частоты диапазона.
Применение антенны
Антенна может быть использована в качестве передающей, приемной или приемопередающей антенны в системах на УКВ- и в СВЧ-диапазоне, в которых требуется обеспечить горизонтальную поляризацию поля излучения с диаграммой направленности в виде окружности в горизонтальной плоскости в широком диапазоне частот. В частности, такие антенны найдут применение для передачи и приема радиосигналов, телевизионных сигналов, в системах слепой посадки самолетов, в аэродромных радионавигационных радиомаяках и других радиотехнических и инфокоммуникационных системах.