"Клеверная" всенаправленная антенна круговой поляризации
"CLOVER" OMNIDIRECTIONAL CIRCULAR POLARIZATION ANTENNA

Изобретение относится к антенной технике и может использовано в системах беспроводной связи, преимущественно для установки на подвижных и стационарных объектах в качестве антенн повышенной компактности и надежности с изотропной в горизонтальной плоскости диаграммой направленности. Антенна предназначена для формирования/приема электромагнитных волн круговой поляризации по всей диаграмме направленности. Изобретение может быть использовано в составе стационарного, переносного наземного и/или мобильного и преимущественно бортового радиооборудования для беспилотных летательных аппаратов, в радиоканалах передачи/приема телеметрии, изображения, звука и других сигналов, требующих высокого качества обработки в условиях сложной электромагнитной обстановки.
Потребность в системах беспроводной связи неуклонно возрастает. Актуальность предлагаемого технического решения обусловлена требованиями к расширению парка ненаправленных антенн круговой поляризации с уменьшенными весогабаритными характеристиками для использования преимущественно на малых беспилотных летательных аппаратах, для которых востребованы устройства с малыми габаритами, ограниченной массой и высокой ударопрочностью, из-за низкой энергозатратности и повышенной маневренности и механической аварийности носителей.
Известна антенная решетка эллиптической поляризации (Пат. РФ №2628300, опубл. 15.08.2017), включающая четыре одинаковых симметричных вибратора, установленных на опоре-мачте и наклоненных на одинаковый угол по отношению к плоскости, перпендикулярной опоре-мачте. Любой симметричный вибратор переходит в соседний симметричный вибратор при повороте его на 90° вокруг оси опоры-мачты, каждый симметричный вибратор содержит излучатель, встроенное симметрирующее устройство и внутренний коаксиальный кабельный участок.
р
р
Недостатком известной антенны являются осевые размеры не менее 0.5λ (λ - рабочая длина волны) без возможности уменьшения указанного значения, влияющего на работоспособность антенны, а также использование сложной конструкции устройства и системы согласования с применением двухпроводных линий и коаксиального кабеля.
Известна антенна круговой поляризации, также называемая "клевер", антенна фирмы TAROT модели TL300K (Tarot 5.8 G image transmission antenna group TL300K [Электронный ресурс]: сайт. - Режим доступа: http://tarot-rc.com/. - Заглавие с экрана. - Данные соответствуют 2019 г. ). Антенна содержит четыре изогнутых проволочных вибратора, имеющих линейные начальные четвертьволновые участки, расположенные перпендикулярно попарно во взаимно ортогональных плоскостях, исходящих из одной общей точки, являющейся первой клеммой питания, расположенной на линии пересечения плоскостей. Отходящие продолжением от линейных участков, соизмеримые по длине с полуволной дуговые участки, расположены в наклонных плоскостях. Они продолжены линейными четвертьволновыми участками, сходящимися к общей точке, являющейся второй клеммой питания, расположенной на линии пересечения плоскостей.
К недостаткам известной антенны можно отнести низкую механическую надежность проволочных вибраторов и устройства узла питания при переходе тонкой центральной жилы коаксиального кабеля к спайке вибраторов из-за всевозможных деформаций и сложную технологию изготовления антенны при навесном монтаже скелетных изогнутых элементов. При размещении антенны в реальных условиях, например, на малых летательных аппаратах или мобильных радиосредствах, при эксплуатации, классическая антенна «клевер» непредсказуемо деформируется, с изменением основных электрических характеристик.
р
Наиболее близкой по конструктивным признакам к заявляемой в качестве изобретения антенне является антенна круговой поляризации квазишунтовой «клевер» (Пат. РФ №166256, опубл. 20.11.2016), содержащая четыре изогнутых вибратора, имеющих линейные начальные четвертьволновые участки, расположенные перпендикулярно попарно во взаимно ортогональных плоскостях, исходящих из одной общей точки, являющейся первой клеммой питания. Общая точка расположена на линии пересечения плоскостей. Отходящие продолжением от линейных участков, соизмеримые по длине с полуволной дуговые участки, расположенные в наклонных плоскостях и линейные конечные четвертьволновые участки, сходящиеся к общей точке, являющейся второй клеммой питания, расположенной на линии пересечения плоскостей. Точки перехода дуг к конечным линейным участкам дополнительно попарно соединены крест-накрест, расположенными в плоскостях начальных четвертьволновых линейных участков соединительными проводниками, коммутирующимися между собой в точке их пересечения, расположенной на оси пересечения плоскостей. Причем, точка пересечения соединительных проводников по линии пересечения плоскостей соединена проводником со второй клеммой питания. Дополнительные соединительные проводники, кроме электрического изменения характеристик антенны, увеличивают механическую жесткость конструкции, повышая надежность устройства. Недостатком антенны являются габаритные размеры, соизмеримые с 0,5λ, без возможности их уменьшения, влияющего на работоспособность антенны круговой поляризации квазишунтовой «клевер».
Задачей предлагаемого изобретения является устранение недостатков прототипа: уменьшение габаритных размеров и возможность настройки при согласовании входного сопротивления антенны с волновым сопротивлением коаксиального кабеля.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является сохранение значений электрических параметров антенного устройства при уменьшении конструктивных размеров путем изменений в токоведущих к излучающим элементам путях проводников. Дополнительным техническим результатом является наращивание возможностей использования всенаправленной антенны круговой поляризации за счет расширения эксплуатационных характеристик в связи с возможностью настройки антенного устройства для согласования с питающим кабелем и тем самым повышением КПД радиосистем.
р
p
Техническое решение обеспечивается тем, что антенна содержит две находящиеся друг над другом в параллельных плоскостях крестообразные конструкции, которые содержат укороченные за счет зигзагообразных изломов в средних участках четвертьволновые линии из проводников, расположенных попарно во взаимно ортогональных плоскостях и имеющих общие точки. Общие точки расположены на линии пересечения плоскостей. Нижняя общая точка является первой клеммой питания, а верхняя общая точка соединена проводником диаметром 0,01-0,05λ длиной, соизмеримой с 0,1λ, по оси пересечения взаимно ортогональных плоскостей со второй клеммой питания. Дуговые излучающие вибраторы соединены между крестообразными конструкциями смежных плоскостей попарно, подключением к внешним конечным участкам укороченных четвертьволновых линий. Причем концы дуговых участков могут быть соединены к конечным участкам по ходу часовой стрелки или против хода часовой стрелки.
р
р
р
р
Указанный технический результат изобретения достигается за счет того, что всенаправленная антенна круговой поляризации, содержит четыре изогнутых вибратора. Они выполнены в виде начальных участков, расположенных перпендикулярно попарно во взаимно ортогональных плоскостях и исходящих из одной общей точки, являющейся первой клеммой питания, расположенной на линии пересечения плоскостей. Отходящие продолжением от начальных участков дуговые участки расположены в наклонных плоскостях и конечные участки, сходящиеся в общую точку, расположенную на линии пересечения плоскостей и соединенную по линии пересечения плоскостей со второй клеммой питания. Начальные участки выполнены в виде ломаных линий с прямыми начальными частями и конечными частями, длиной по 0,06λ и средними зигзагообразными частями на длине участков 0,06λ с общей протяженностью линий зигзагов 0,18λ, расположенными в плоскости, перпендикулярной линии пересечения взаимно ортогональных плоскостей. Конечные участки, идентичные начальным участкам, расположены в плоскости, параллельной плоскости размещения начальных участков, расположенной на расстоянии, соизмеримом с 0,1λ, выше плоскости размещения начальных участков. Концы дуговых участков могут быть соединены к конечным участкам по ходу часовой стрелки или против хода часовой стрелки.
Начальные участки, средние участки с зигзагообразными частями и конечные участки могут быть расположены на плоских диэлектрических подложках, в виде кругов, которые закреплены между собой металлическими распорками, установленными по периметру кругов в средних частях дуговых участков. Расположение ломаных линий зигзагообразных частей конечных участков может быть выполнено в зеркальном отображении.
Круговые диэлектрические подложки с начальными участками и конечными участками, закрепленные между собой металлическими распорками, установленными в средних частях дуговых участков, могут быть обжаты термоусадочной диэлектрической трубкой с образованием боковой цилиндрической поверхности.
Благодаря перечисленной совокупности существенных признаков обеспечивается реализация антенны с уменьшенными габаритами и возможностью настройки при реализации устройства с характеристиками коаксиальных электрических систем для согласования входного сопротивления антенны с волновым сопротивлением коаксиального кабеля.
Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что начальные участки выполнены в виде ломаных линий.
р
р
р
Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что ломаные линии содержат начальные части и конечные части, длиной по 0,06λ и средние зигзагообразные части на длине участков 0,06λ с общей протяженностью зигзагов 0,18λ.
Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что конечные участки, идентичны начальным участкам и расположены в плоскости, параллельной плоскости размещения начальных участков.
р
р
Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что начальные участки и конечные участки, выполненные в виде ломаных линий в размере элемента, равном 0,18λ, имеют протяженность токоведущего проводника 0,3λ.
р
р
Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что использование ломаных линий токоведущих частей неизлучающих проводников уменьшило размеры диаметра антенны от 0,5λ до 0,36λ или в 1,4 раза, то есть в 2 двукратном уменьшении площади.
р
Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что конечные участки, расположенные выше в плоскости параллельной плоскости размещения начальных участков, размещены на расстоянии между плоскостями, соизмеримом с 0,1λ, что в 1,75 уменьшило размеры по вертикали, что в итоге с уменьшенными размерами по горизонтали уменьшило в 3,5 раза занимаемый конструкцией антенны объем.
Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что концы дуговых участков в данной конструкции могут быть соединены к конечным участкам по ходу часовой стрелки или против хода часовой стрелки.
Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что выполненная в виде коаксиальной фигуры конструкция антенн обеспечивает за счет изменения диаметра соединительного по линии пересечения плоскостей центрального проводника подстраивать импеданс антенны.
Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что начальные участки и конечные участки с зигзагообразными частями могут быть расположены на плоских диэлектрических подложках, в виде кругов, которые закреплены между собой металлическими распорками.
Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что металлические распорки могут быть установлены по периметру кругов в средних частях дуговых участков.
Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что расположение ломаных линий зигзагообразных частей конечных участков может быть выполнено в зеркальном отображении относительно ломаных линий зигзагообразных частей начальных участков.
Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что круговые диэлектрические подложки с начальными участками и конечными участками и закрепленные между собой металлическими распорками, установленными в средних частях дуговых участков, могут быть обжаты термоусадочной диэлектрической трубкой с образованием боковой цилиндрической поверхности.
Промышленная применимость заявленного технического решения усматривается в возможности изготовления антенны в виде скелетной конструкции или конструкции в виде полосковых проводников на твердой подложке с дополнением крепления навесных дуговых участков. Также промышленная применимость заявленного технического решения усматривается в предельной технологичности и простоте изготовления, в облегченных, тиражировании и эксплуатации, возможностях использования на промышленной основе при конкурентоспособном уровне.
Предлагаемое техническое решение иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-4.
На фиг. 1 приведен эскиз «Клеверной» всенаправленной антенны круговой поляризации, на фиг. 2 - эскиз начального участка в виде ломаной линии с прямой начальной и конечной частью и средней зигзагообразной частью, на фиг. 3 - эскиз версии антенного устройства с использованием диэлектрических подложек, скрепленных металлическими распорками, на фиг. 4 представлены диаграммы направленности антенны в горизонтальной и вертикальной плоскости (внешняя - вертикальная составляющая поляризации, внутренняя - горизонтальная составляющая поляризации) на рабочей частоте и ее основные электрические параметры.
а
р
р
р
р
«Клеверная» всенаправленная антенна круговой поляризации (фиг. 1) содержит четыре изогнутых вибратора 1, имеющих начальные участки 2, расположенные перпендикулярно попарно во взаимно ортогональных плоскостях 3 и 4, исходящие из одной общей точки 5, являющейся первой клеммой питания «», расположенной на линии 6 пересечения плоскостей 3 и 4. От начальных участков 2 продолжением отходят дуговые участки 8, расположенные в наклонных плоскостях, и конечные участки 12, сходящиеся в общую точку 9. Общая точка 9 расположена на линии 6 пересечения плоскостей 3 и 4 и соединена соединительным проводником 10, также расположенном на линии пересечения 6 плоскостей 3 и 4, со второй клеммой питания «б». Начальные участки 2 выполнены в виде ломаных линий (фиг. 2) с прямыми начальными частями 1.1 и конечными частями 1.3 длиной по 0,06λ и средними зигзагообразными частями 1.2 на длине участков 0,06λ с общей протяженностью зигзагов 0,18λ. При этом прямые начальные части 1.1 и конечные части 1.3 расположены на расстоянии друг от друга, которое обозначено на фиг. 2 штрихпунктирной линией позицией 7. Они расположены в плоскости 11, перпендикулярной линии 6 пересечения взаимно ортогональных плоскостей 3 и 4. Конечные участки 12, идентичные начальным участкам 2, расположены в плоскости 13, параллельной плоскости размещения начальных участков 2. Плоскость 13 расположена на расстоянии, соизмеримом с 0,1λ, выше плоскости размещения начальных участков 2. Концы дуговых участков 8 могут быть соединены к конечным участкам 12 по ходу часовой стрелки или против хода часовой стрелки. Начальные участки 2 и конечные участки 12, с зигзагообразными частями 1.2, могут быть расположены на плоских диэлектрических подложках 14, в виде кругов (фиг. 3). Диэлектрические подложки могут быть закреплены между собой металлическими распорками 15, установленными по периметру кругов, в средних частях дуговых участков 8. Расположение ломаных линий зигзагообразных частей 1.2 конечных участков 12 на диэлектрической подложке 14 может быть выполнено в зеркальном отображении и в виде полосковых проводников. Круговые диэлектрические подложки 14 с начальными участками 2 и конечными участками 12, закрепленные между собой металлическими распорками 15, установленными в средних частях дуговых участков 8 и обжаты термоусадочной диэлектрической трубкой (на эскизе не показано) с образованием боковой цилиндрической поверхности.
Антенна работает следующим образом.
а
а
р
р
р
р
р
р
р
р
р
р
Сигнальная линия (на эскизе не показана) подключается к антенне одним полюсом к клемме «», а другим к клемме «б», при этом подаваемая мощность в равной степени с синфазными токами от клеммы «» разделяется между четырьмя изогнутыми вибраторами 1 с начальными участками 2. Начальные участки 2 выполнены в виде ломаных линий с прямыми начальными частями 1.1 и конечными частями 1.3, длиной по 0,06λ и средними зигзагообразными частями 1.2 на длине участков 0,06λ с общей протяженностью зигзагов 0,18λ и расположены в плоскости 11, перпендикулярной линии 6 пересечения взаимно ортогональных плоскостей 3 и 4. Ввиду синфазности равных токов и их противоположных направлений, излучение на этих участках отсутствует. Отходящими продолжением от начальных участков 2 следуют дуговые участки 8, расположенные в наклонных плоскостях и конечные участки 12, сходящиеся в общую точку 9, расположенную на линии 6 пересечения плоскостей 3 и 4 и соединенную по соединительному проводнику 10 со второй клеммой питания «б». Конечные участки 12, ввиду идентичности начальным участкам 2, и подобного расположения в плоскости 13, параллельной плоскости размещения начальных участков 2, расположенной на расстоянии, соизмеримом с 0,1λ, выше плоскости размещения начальных участков 2, также не излучают. Основными излучающими элементами антенны являются расположенные в наклонных плоскостях дуговые вибраторы 8 с длиной соизмеримой с 0,3λ, из-за общей длины контура изогнутого вибратора классически равной λ, длин начальных и конечных участков с протяженностью проводников по 0,3λ и соединительному проводнику 10 по линии 6 пересечения плоскостей 3 и 4 с длиной, соизмеримой с 0,1λ. Располагаясь на равном удалении от линии пересечения 7, являясь дугами от окружностей с радиусом 0,18λ и имея подъем менее 40 градусов к плоскости 11 дуговые вибраторы 8 совокупно составляют фазированную антенную решетку с излучением/приемом волн эллиптической поляризации с преимущественной горизонтальной составляющей. Равноудаление от фазового центра, находящегося на линии пересечения 6 и дуговая форма вибраторов с постоянным радиусом по всей длине обеспечивает изотропную диаграмму направленности в горизонтальной плоскости. Конечные участки 12, расположенные на плоскости 13 выполняют функцию суммирования синфазных токов в общей точке 9, проходящих в проводник 10, соединенный со второй клеммой питания «б» на линии пересечения взаимно ортогональных плоскостей 3 и 4. Суммарный ток, протекающий по проводнику 10, обеспечивает реализацию вертикальной поляризации, изотропно излучаемой в горизонтальной плоскости со сдвигом по фазе, соизмеримым 0,25λ относительно преимущественно горизонтальных составляющих, излучаемых дуговыми вибраторами 8, дополняя вертикальную составляющую излучения к эллиптической и приближая эллиптическую поляризацию к круговой. Изменением длины и диаметра соединительного проводника 10 осуществляют согласование антенны с линией питания и при несколько повышенном коэффициенте усиления обеспечивается повышение КПД. В зависимости от соединения к конечным участкам 12 концов дуговых участков 8 по ходу часовой стрелки или против хода часовой стрелки будет реализовываться правостороннее или левостороннее вращение вектора поляризации. В версии исполнения начальных участков 2 и конечных участков 12 с зигзагообразными частями 1.2, расположенных на плоских диэлектрических подложках 14, в виде кругов, не изменяет физики приема/излучения, а осуществляется для повышения механической надежности конструкции. Металлические распорки 15, установленные по периметру кругов в средних частях дуговых участков 8, находятся в точках нулевого потенциала и не вносят искажений в работу антенны. Расположение ломаных линий зигзагообразных частей 1.2 конечных участков 12 выполненное в зеркальном отображении также не нарушает работы антенны из-за компенсации токами противоположных направлений в своей плоскости. В версии исполнения, когда круговые диэлектрические подложки 14 с начальными участками 2 и конечными участками 12 обжаты термоусадочной диэлектрической трубкой с образованием боковой цилиндрической поверхности, предложен способ дополнительной фиксации и герметизации антенного устройства.
Компьютерная модель «Клеверной» всенаправленная антенна круговой поляризации «миньон», была проверена в ходе электронного моделирования в программе MMANA на частоту 433 МГц. Результаты компьютерного моделирования, показаны на фиг. 4, которыми полностью подтверждены теоретические подходы при описании работы антенного устройства.