Слабонаправленная спиральная антенна с круговой поляризацией поля излучения
WEAKLY DIRECTIONAL HELICAL ANTENNA WITH CIRCULAR POLARIZATION OF THE RADIATION FIELD

Изобретение относится к антенным устройствам и может быть использовано в телекоммуникационных системах.
Известны ненаправленные антенны с полем излучения линейной или круговой поляризации, выполненные на основе диполей, щелевых, коаксиальных или спиральных излучателей (см., например, Ротхамель, К. Антенны / К. Ротхамель. - М: Додека, 2005. - Т. 2. - С. 102-129.).
Традиционное использование в составе базовых станций телекоммуникационных систем ненаправленных в азимутальной плоскости антенн линейной поляризации с узкой диаграммой направленности (ДН) в угломестной плоскости позволяет создать зону доступа с определенным радиусом, причем по мере удаления от антенны скорость работы абонентского оборудования будет уменьшаться из-за потерь мощности электромагнитных волн в беспроводном канале связи. Эти потери обусловлены характеристиками среды распространения, интерференцией падающей и отраженных волн в точке приема, рассогласованием по поляризации между электромагнитной волной, распространяющейся со стороны базовой станции, и приемной антенной, что обусловлено деполяризацией электромагнитной волны и произвольным положением приемной антенны. Для расширения зоны доступа или увеличения скорости работы системы на внешнем периметре этой зоны необходимо либо уменьшать ширину главного луча диаграммы направленности антенны в угломестной плоскости, либо использовать в составе базовой станции ненаправленную в азимутальной плоскости антенну с круговой поляризацией поля излучения. При этом необходимо выполнить требования по массогабаритным параметрам антенной системы и по ветровой нагрузке, минимизировать потери в распределительном тракте антенны, обеспечить качественные технико-экономические показатели антенной системы.
Известна компактная ненаправленная в азимутальной плоскости антенна с круговой поляризацией [2010/0188308 А1 США, МКИ H01Q 21/06 Compact circularly polarized omni-directional antenna. Royden M. Honda, Robert J. Conley - №12/692,556; Заявлено 23.01.2009. Опубл. 29.07.2010]. Антенна состоит из двух излучателей линейной поляризации и системы возбуждения. Два излучателя расположены соосно относительно друг друга. Один из излучателей представляет собой симметричный вибратор, плечи которого представляют собой два соосных полых цилиндра, каждый длиной немного более четверти длины волны. Второй излучатель образован двумя щелями, прорезанными продольно в стенках цилиндров со стороны их внешних торцов на глубину четверти длины волны. Первый и второй излучатели в соответствие с типовой схемой турникетной антенны возбуждаются в квадратуре, когда их входные токи имеют равную амплитуду и отличаются по фазе на 90°. Антенна в целом характеризуется ненаправленным излучением в плоскости, перпендикулярной к оси антенны. В данной плоскости поле излучения имеет круговую поляризацию. В плоскости, проходящей через продольную ось антенны, формируется ДН с двумя максимумами, расположенными в плоскости, ортогональной продольной оси антенны. Рассматриваемые парциальные ДН антенны аналогичны ДН полуволнового симметричного вибратора в Н- и Е-плоскостях, соответственно, с тем отличием, что в ортогональной к продольной оси антенны плоскости поле имеет эллиптическую поляризацию. Ширина главного лепестка ДН антенны составляет 78° по уровню половинной мощности. Для уменьшения ширины диаграммы направленности и увеличения коэффициента усиления антенны излучатели составляют линейную антенную решетку.
Данная антенна обладает несколькими недостатками.
1. Антенна характеризуется относительно широкой диаграммой направленности в угломестной плоскости, проходящей через продольную ось антенны, что не удовлетворяет требованиям к антенным устройствам телекоммуникационных систем.
2. При переходе от одиночного излучателя к линейной антенной решетке существенно возрастает сложность конструктивного исполнения системы возбуждения (синфазной или с заданным линейным фазовым сдвигом) всей антенной решетки в целом.
3. Усложнение структуры системы возбуждения антенной решетки приводит к увеличению потерь мощности в распределительном тракте и, следовательно, к уменьшению коэффициента полезного действия антенны в целом и уменьшению коэффициента усиления.
4. Применение данных антенн или их решеток на частотах выше 1,5 ГГц связано с существенным увеличением технологической сложности изготовления антенны, что скажется на себестоимости изделия в целом.
Наиболее близкой к предполагаемому изобретению по технической сущности является ненаправленная антенна круговой поляризации (Bin Z. Omnidirectional Circularly Polarized Antenna with High Gain in Wide Bandwidth / Bin Zhou, Junping Geng, Xianling Liang, Ronghong Jin and Guanshen Chenhu // Modern Antenna Systems. - Ch. 8. - IntechOpen, 2016 [Electronic resource]. - Access mode: http://dx.doi.org/10.5772/66011 (date of issue 21.10.2019)), которая представляет собой решетку щелевых излучателей, прорезанных в стенках коаксиального волновода, в котором пространство между внутренней и внешней проводящей поверхностями заполненного диэлектриком. Антенна содержит три части: решетку щелевых излучателей, согласующее входной импеданс устройства и питающий порт. Первичным излучателем антенной решетки является композиция из двух щелевых излучателей, которые прорезаны в поверхности волновода ортогонально один другому таким образом, что узкий торец одной из щелей близко расположен к центру широкой стенки другой щели. Четыре первичных излучателя смещены вокруг продольной оси симметрии коаксиального волновода с шагом 90°, образуя синфазный кольцевой кластер излучателей. Четыре кольцевых кластера щелевых излучателей смещены вдоль оси коаксиального волновода с постоянным шагом относительно друг друга. Первичный излучатель формирует поле круговой поляризации с секторной диаграммой направленности. Кольцевой кластер обеспечивает формирование поля круговой поляризации с круговой диаграммой направленности в азимутальной плоскости и направленным излучением в угломестной плоскости. Линейная эквидистантная решетка кольцевых кластеров обеспечивает сжатие луча диаграммы направленности в угломестной плоскости и увеличение коэффициента усиления антенной системы.
Данная антенна обладает несколькими недостатками.
1. У данной антенны в угломестной плоскости в секторе углов 120°-240°, ориентированных в сторону подстилающей поверхности, наблюдается относительно высокий уровень излучения в побочных лепестках диаграммы направленности.
2. Данная антенна формирует поле излучения круговой (эллиптической) поляризации в диапазоне углов, меньшем, чем ширина диаграммы направленности антенны.
3. Данная антенна работает по принципу резонансной волноводно-щелевой решетки с максимумом излучения, ориентированным строго в азимутальной плоскости, что ограничивает ее применения для практических задач, требующих отклонение максимума излучения от азимутальной плоскости (например, в базовых станциях телекоммуникационных систем).
Целью изобретения является разработка антенны с ненаправленной в азимутальной плоскости и направленной в угломестной плоскости диаграммой направленности, с максимумом излучения, сориентированным в азимутальной плоскости или отклоненным от нее, с близкой к круговой поляризацией поля излучения в пределах ширины главного лепестка ДН, с возможностью уменьшения ширины главного лепестка ДН.
НАЧ
КОН
Поставленная цель достигается тем, что антенна (Фиг. 1) состоит из четырех одинаковых цилиндрических спиральных проводников 11, 12, 13, 14, которые характеризуются радиусом образующего их опорного цилиндра, количеством витков и переменным углом намотки проводников, который линейно возрастает от начала проводников у их точки питания к внешнему концу проводников, при этом спиральные проводники размещаются на опорном цилиндре 15 и повернуты вокруг оси цилиндра с шагом 90°, при этом выбираются определенные численные значения геометрических параметров спиральных проводников 11, 12, 13, 14, которые одинаковы для всех проводников, и реализуется определенный режим возбуждения проводников в их точках питания, которые расположены на поверхности отражающего экрана 16. Геометрия спиральных проводников описывается в параметрической форме соотношениями, приведенными на Фиг. 1, где α - центральный угол, изменяющийся от 0 до 2πn; n - количество витков спиральных проводников; β(α) - угол намотки витков спиральных проводников, который является функцией от α и изменяется от β до β;  - радиус образующего спираль цилиндра; d - диаметр образующего спираль цилиндра. Причем антенна может работать без использования экрана.
НАЧ
КОН
Численные значения углов намотки витков спиральных проводников β и β, диаметра цилиндра d, количества витков n выбираются из соотношений:
НАЧ
КОН
0
0
0
β=12°-14°, β=27°-37°; d=0,2λ-0,23λ, n=6-8; где λ - средняя длина волны в рабочем диапазоне длин волн антенны.
При этом взаимное положение спиральных проводников на опорном цилиндре устанавливается углами их поворота вокруг оси опорного цилиндра на углы, кратные 90°, что является одним из условий формирования поля излучения спиральной антенны с требуемыми поляризационными характеристиками.
11
12
13
14
На входы спиральных проводников подаются токи возбуждения i, i, i, i:
11
12
13
14
11
12
13
14
, где I, I, I, I - амплитуды токов, подводимых ко входам соответствующих по номеру проводников; ϕ, ϕ, ϕ, ϕ - начальные фазы токов, подводимых ко входам соответствующих по номеру проводников (Фиг. 1).
11
12
13
14
Для возбуждения каждого из четырех спиральных проводников 11, 12, 13, 14 на их входах, расположенных вблизи от экрана 16, амплитуды токов выбираются с учетом соотношения I=I=I=I.
11
12
13
14
11
12
13
14
Поляризационная структура поля излучения антенны определяется соотношениями начальных фаз токов ϕ, ϕ, ϕ, ϕ (Фиг. 1), подводимых ко входам спиральных проводников 11, 12, 13, 14. Для формирования токов i, i, i, i в конструкции антенны используется входное распределительное устройство 17.
Поставленная цель достигается за счет определенного режима возбуждения спиральных проводников 11, 12, 13, 14 и выбора определенных значений их геометрических параметров, при этом на поверхности четырех спиральных проводников формируются амплитудно-фазовые распределения тока (Фиг. 2), которые характеризуются наличием вдоль проводников периодически повторяющихся максимумов амплитуд токов, пространственное положение которых на поверхности четырех проводников совпадает, при этом фазы токов на проводниках в аналогичных токах отличаются с шагом 90°. Области на проводниках, расположенные близи максимумов амплитуд токов, образуют зоны излучения (Фиг. 2), в пределах которых разные проводники формируют поля излучения с линейными поляризациями, отличающие по фазе на 90°. При этом в пределах зон излучения различные проводники пространственно-ортогональны друг другу и вместе формируют поле круговой поляризации. При этом в каждой из зон излучения система из четырех проводников формирует в азимутальной плоскости круговую (ненаправленную) ДН.
На Фиг. 3 для антенны 31 (пунктирная линия) показана нормированная ДН 32 в азимутальной плоскости. При этом на Фиг. 3 антенна 31 (вид сверху, пунктирная линия) показана условно - без учета ее физических размеров.
НАЧ
КОН
Формируемые вдоль системы из четырех спиральных проводников зоны излучения образуют линейную антенную решетку с последовательным питанием, в которой в соседних зонах излучения на каждом отдельном проводнике токи синфазны. Поэтому спиральная антенна в угломестной плоскости формирует направленное излучение с максимумом, расположенным ортогонально к оси антенны, что совпадает с положением азимутальной плоскости. За счет изменения угла намотки спиральных проводников в большем диапазоне значений β и β, расстояние между каждой следующей парой соседних зон излучения может линейно увеличиваться по мере удаления от входов проводников, что обеспечивает в угломестной плоскости увеличение отклонения максимума ДН относительно горизонтальной плоскости.
Увеличение количества формируемых на проводниках зон излучения уменьшает ширину диаграммы направленности антенны в угломестной плоскости.
0
0
На Фиг. 4, Фиг. 5, Фиг. 6 показаны для угломестной плоскости нормированные ДН 42, 52, 62 и угловые зависимости коэффициента эллиптичности 43, 53, 63 поля излучения спиральной антенны, которые рассчитаны на центральной длине волны λ (соответствует частоте ƒ) для различных групп значений геометрических параметров спиральных проводников.
На Фиг. 4, Фиг. 5, Фиг. 6 условно изображена спиральная антенна 41,51,61 в боковой проекции, что поясняет соотношение угловых характеристик поля и положения антенны.
0
0
При выборе разных групп значений геометрических параметров проводников, в угломестной плоскости получены разные углы отклонения максимума диаграммы направленности антенны, при этом в пределах ширины ДН формируется близкая к круговой поляризация поля излучения. Для каждой из групп геометрических параметров спиральных проводников с изменением частоты в пределах относительной полосы 2Δƒ/ƒ=8-9% наблюдаются отклонения максимума ДН от положения, полученного на средней частоте диапазона ƒ - эффект частотного сканирования главным лучом диаграммы направленности.
При правосторонней намотке спиральных проводников и начальных фазах токов возбуждения, выбранных согласно Фиг. 1, поле излучения спиральной антенны имеет левостороннюю круговую поляризацию, при левосторонней намотке спиральных проводников и соответствующих начальных фазах токов возбуждения (Фиг. 1) - правостороннюю круговую поляризацию.
Эти свойства предложенной спиральной антенны являются новыми, поскольку в прототипе для формирователя поля круговой поляризации используются решетка кольцевых кластеров щелевых турникетных излучателей, прорезанных в стенках коаксиального волновода, в котором пространство между внутренней и внешней проводящей поверхностями заполненного диэлектриком.
Причинно-следственная связь между заявляемой антенной и достигаемым техническим результатом состоит в том, что четыре одинаковых спиральных проводника с линейным изменением угла намотки, возбуждаемые равноамплитудно с определенными начальными фазами токов, располагаются на опорном цилиндре, при этом антенна формирует в азимутальной плоскости ненаправленную диаграмму направленности и направленную - в угломестной полкости, с максимумом излучения, расположенным вблизи к азимутальной плоскости, с близкой к круговой поляризацией поля излучения в пределах ширины главного лепестка диаграммы направленности, с частотным сканированием главным лепестком диаграммы направленности в угломестной плоскости, с возможностью уменьшить ширину главного лепестка диаграммы направленности в угломестной плоскости, отличающаяся тем, что в качестве излучателей используются одинаковые спиральные проводники с переменным углом намотки, размещенные на несущем цилиндре, закрепленном на экране, причем задаются определенные численные значения геометрических параметров проводников и режимы их возбуждения.