ЗИГЗАГООБРАЗНАЯ АНТЕННА С КРУГОВОЙ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ

Техническое решение относится к области радиотехники и может быть использовано в антенно-фидерных устройствах.
Зигзагообразные антенны известны с 60-х годов 20 века [К. Ротхаммель. Антенны. Пер. с нем., М., «Энергия», 1969., стр. 258] и по настоящее время широко используются в качестве как приемных, так и передающих антенн. Их отличительной особенностью являются высокий коэффициент усиления (11…12 дБ), широкая полоса частот по согласованию и простота конструкции. В качестве прототипа выбрана зигзагообразная антенна с экраном, обеспечивающим однонаправленное излучение (Родионов В.М. Линии передачи и антенны УКВ. М., «Энергия», 1977, стр. 73). Антенна (фиг. 1) представляет собой две синфазно возбуждаемые рамки квадратной формы. Антенна возбуждает в пространстве линейно поляризованную волну. Длина стороны каждой рамки составляет 0,25λ. В точках А и Б к антенне присоединяют коаксиальный кабель, причем его оплетку припаивают к одной точке, а внутренний проводник - к другой. Кабель в изоляции проводится по сторонам квадрата. Верхнюю и нижнюю вершины квадратов можно заземлять и крепить к несущим конструкциям, в то время как боковые вершины следует хорошо изолировать по высокой частоте. В зигзагообразных антеннах применяют экран-рефлектор, расположенный на расстоянии 0,12λ, от плоскости антенны. Это расстояние не критично и может меняться в пределах (0,1-0,2)λ. Размеры экрана в долях λ для зигзагообразной антенны из двух вертикальных элементов показаны на фиг. 5.
Для приема сигналов с круговой поляризацией теоретически можно использовать две зигзагообразные антенны, расположенные под углом 90° с общим центром, запитанные в квадратуре. Недостатками такой антенны являются существенные сложности при конструктивной реализации, а именно:
- коаксиальные кабели, используемые для возбуждения антенны, должны сойтись в одну точку, в центре, а это невозможно, так как неизбежным становится пересечение линий;
- коаксиальные кабели имеют конечный диаметр, определяемый передаваемой мощностью и допустимым уровнем потерь, использование иных кабелей, кроме малогабаритных, в такой схеме также становится невозможным, ввиду роста взаимной емкости пересекающихся линий;
- для обеспечения широкополосного квадратурного возбуждения используются направленные ответвители на связанных линиях, расстояние между входами которых составляет λ/4. В таком случае суммарная длина кабелей от точки возбуждения до входа направленного ответвителя составит
λ/4+λ/4+0,12λ+0,125λ=0,745λ (Фиг. 5);
- существуют технологические допуски на длины кабелей при их изготовлении, определяемые ГОСТ 23542 - 79. Например, для длины волны 68,2 см (частота 440 МГц) длина кабелей составит 510 мм, а допуск на их длину -+35 мм, что составляет 18,5° по фазе. Такое отклонение приведет к появлению поляризационных потерь, так как разность фаз сигналов в точках возбуждения будет отличаться от 90°.
Технический результат заключается в обеспечении усиления, ширины полосы и согласования, аналогичных зигзагообразным антеннам с линейной поляризацией, при приеме сигналов с круговой поляризацией, и минимизации потерь.
Это достигается тем, что зигзагообразная антенна с круговой поляризацией, характеризуется тем, что выполнена в виде четырех металлических рамок, соединенных параллельно по две и объединенных в центре печатной платой, обеспечивающей электрическое соединение рамок с симметрирующим устройством, которое представляет собой четвертьволновый короткозамкнутый отрезок четырехпроводной линии в виде стержней, при этом два из них полые и являются коаксиальными 50 Ом - линиями, центральные проводники которых соединены с противоположными балластными линиями в верхних точках на печатной плате, в нижних точках 50 Ом - линии подключены к квадратурному направленному ответвителю, а балластные - соединены с экраном-рефлектором, установленным перед направленным ответвителем.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежами, на которых изображено:
Фиг. 1 - прототип зигзагообразной антенны;
Фиг. 2 - конструкция предлагаемой антенны;
Фиг. 3 - макет предлагаемой антенны;
Фиг. 4 - печатная плата;
Фиг. 5 - размеры длины кабелей в долях λ.
На чертежах позициями 1-6 обозначены:
1 - четыре металлические рамки;
2 - печатная плата;
3 - симметрирующее устройство;
4 - экран-рефлектор;
5 - квадратурный направленный ответвитель;
6 - коаксиальный разъем.
Предлагаемая антенна содержит четыре металлические рамки 1, соединенные параллельно по две, с длиной по средней линии, равной длине волны на центральной частоте рабочего диапазона. Печатная плата 2 соединяет четыре рамки 1 с коаксиальными и балластными проводниками симметрирующего устройства 3. Симметрирующее устройство 3 представляет собой четвертьволновый короткозамкнутый отрезок четырехпроводной линии, выполненный в виде стержней, при этом два из них полые и являются коаксиальными 50 Ом - линиями, а два других -цилиндрическими балластными линиями. В верхних точках они соединяются с печатной платой 2, на которой центральные проводники коаксиалов соединяются с балластными проводниками, расположенными оппозитно, а в нижних точках наружные коаксиальные и балластные проводники соединяются с экраном-рефлектором 4, который установлен перед квадратурным направленным ответвителем 5, с одной стороны соединенным с центральными проводниками коаксиальных 50 Ом - линий симметрирующего устройства 3, а с другой стороны - с коаксиальным разъемом 6. Длина проводников симметрирующего устройства 3 равна четверти длины волны на средней частоте рабочего диапазона частот.Экран-рефлектор 4 обеспечивает однонаправленное излучение антенны.
Данная конструкция обеспечивает уменьшение длины подводящих коаксиальных линий в 0,745/0,12=6 раз, допуск на длину подводящих линий в 100 раз. При этом омические потери также уменьшаются в 6 раз, а поляризационные потери становятся пренебрежимо малыми.
Это достигается за счет использования симметрирующего устройства.
Был изготовлен макет предлагаемой антенны (фиг. 3) и проведены исследования его характеристик, которые подтвердили, что ожидаемые параметры достигнуты.