Многодиапазонная антенная система круговой направленности на основе полуволновых вибраторов с устройствами симметрирования и согласования
MULTIBAND CIRCULAR ANTENNA SYSTEM BASED ON HALF-WAVE VIBRATORS WITH BALANCING AND MATCHING DEVICES

Изобретение относится к области радиотехники и может быть применено в системах передачи/приема сигналов с применением нескольких передатчиков/приемников (каналов передачи/приема сигналов), работающих в различных диапазонах (разнесенных полосах) частот, в том числе в системах сотовой, транкинговой связи, в составе базовых и диспетчерских станций, для построения ретрансляторов (репитеров) среднего и малого радиуса действия, а также в системах другого назначения.
В системах сотовой связи, в том числе поколения 4G (стандарт LTE), именуемого также мобильным Интернетом, используются диапазоны частот 450, 900, 1800, 2500 МГц и ряд других. Еще большее число диапазонов предполагается использовать в сетях поколения 5G. Особенностями использования радиочастотного спектра сетями сотовой связи является то, что, с одной стороны, выделенные им полосы частот относительно узки (относительная ширина каждой полосы не превышают 10 % от средней частоты соответствующего диапазона), а с другой стороны, эти полосы значительно разнесены друг от друга (разнос составляет сотни мегагерц).
Другой особенностью систем сотовой связи, а также других систем подвижной радиосвязи является то, что для них обычно требуется всенаправленное излучение и прием вертикально поляризованных электромагнитных волн.
В ряде случаев, например, при организации подвижной радиосвязи в горных районах требуется наклон диаграммы направленности в вертикальной плоскости. При этом зачастую имеют место сложные условия эксплуатации, связанные с воздействием внешних неблагоприятных климатических факторов: дождь, снег, ветровые нагрузки и др.
Известна антенная система с круговыми диаграммами направленности для нескольких передатчиков [1], работающих на разных частотах (в разнесенных полосах частот).
Антенная система состоит из N полуволновых вибраторов, размещенных друг над другом на трубе из изоляционного материала, внутри которой проходят N коаксиальных кабелей (фидерных линий), соединяющих каждый вибратор с соответствующим передатчиком (каналом формирования и усиления) радиосигнала. Антенная система помещена в радиопрозрачный корпус, представляющий собой трубу из диэлектрического материала и обеспечивающий ее защиту от неблагоприятных механических и климатических воздействий. При вертикальном расположении антенная система обеспечивает формирование круговых диаграмм направленности при вертикальной поляризации волны.
Недостатком данной антенной системы является то, что полуволновый вибратор является симметричным, в то время как коаксиальная фидерная линия, подключаемая к его плечам, несимметрична. Это приводит к несимметричному возбуждению плеч вибратора: соотношение амплитуд и фаз токов на входе антенны существенно отличаться от соотношения амплитуд и фаз внутри коаксиальной линии. Коэффициент стоячей волны в таком случае достигает значений 5–7, что соответствует коэффициенту полезного действия системы фидерная линия – нагрузка (антенна) порядка 0,55–0,45. Помимо значительных потерь рассогласование фидера и антенны может привести к возникновению антенного эффекта фидера и искажению диаграммы направленности.
Для устранения отмеченного недостатка используют различные схемы соединения коаксиальной линии с полуволновым вибратором, которые обеспечивают симметричное возбуждение плеч вибратора. Наиболее простой и распространенной является так называемая схема U-колена [2,3,4]. Симметрирующее устройство в виде U-колена состоит из двух отрезков коаксиального кабеля длиной λ/4 и 3λ/4 (λ – длина волны), соединенных между собой и фидером центральными проводниками; противоположные концы коаксиальных кабелей  подключаются к плечам полуволнового вибратора; внешние проводники (оболочки) коаксиальных кабелей и фидера соединяются между собой. За счет разности длин отрезков коаксиальных кабелей, составляющей половину длины волны, осуществляется сдвиг фазы на 180° и тем самым достигается сопряжение несимметричной фидерной линии с симметричным полуволновым вибратором. Помимо симметрирования U-колено обеспечивает согласование волнового сопротивления фидера и входного сопротивления полуволнового разрезного вибратора (диполя), равного на резонансной частоте 73,1 Ом [4]. При использовании в качестве фидера коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом коэффициент стоячей волны (КСВ) близок к 1, при волновом сопротивлении в 50 Ом КСВ составляет 1,5. Соответствующие этим КСВ значения коэффициента полезного действия полуволнового вибратора теоретически достигают 100% и 95% соответственно.
Несмотря на простоту описанной схемы симметрирования и согласования, для систем радиосвязи и систем другого назначения, где необходимо обеспечение круговой направленности антенны и использование вертикальной поляризации волны, она малопригодна, по следующим причинам:
- общая длина U-колена, состоящего из двух отрезков коаксиального кабеля, соизмерима с длиной волны (с учетом коэффициента укорочения в кабеле), то есть в метровом и нижней части дециметрового диапазона длин волн может составлять от одного до нескольких метров;
- при вертикальном расположении антенны свободно висящее U-колено приводит к искажению диаграммы направленности антенны и возникновению антенного эффекта фидера;
- затруднена защиты антенной системы от неблагоприятных механических и климатических  воздействий (песок, пыль, дождь, снег, роса, морская соль и т.п.).
Еще в большей мере отмеченные недостатки будут проявляться в многодиапазонной антенной системе, состоящей из нескольких вибраторов.
По этим же причинам для систем подвижной радиосвязи и многих других систем, в которых используются радиоволны с вертикальной поляризацией, не подходят или малопригодны другие схемы симметрирования и согласования: шлейфового питания [3], так называемый «четвертьволновый запирающий стакан» [5] и др.
n
n
n
Устранение указанных недостатков может быть достигнуто путем включения между плечами каждого полуволнового вибратора, входящего в состав многодиапазонной антенной системы, устройства симметрирования и согласования, представляющего собой модифицированное U-колено, состоящее из свернутых в виде спиралей и размещенных последовательно между плечами вибратора на опорной трубе двух отрезков коаксиальных кабелей длиной λ/4 и 3/4λ (λ – длина волны с учетом коэффициента укорочения в кабеле, соответствующая n-му диапазону частот, n=1…N; N – число диапазонов частот), и обеспечивающее сопряжение симметричного вибратора с несимметричной коаксиальной фидерной линией и согласование входного сопротивления вибратора с волновым сопротивлением этой линии [6].
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведена схема общей конструкции многодиапазонной антенной системы (выделена штриховой линией в виде прямоугольника).
Многодиапазонная антенная система (МАС) состоит:
- из опоры 1, представляющей собой трубу из диэлектрического материала, например, труба из ПВХ или – для повышения прочности конструкции – из ПВХ, армированного стекловолокном;
- полуволновых вибраторов 2.1, 2.2, …2.N (N – число вибраторов, соответствующее числу используемых диапазонов частот), выполненных из металлических трубок (из меди, алюминия, латуни, стали) с внутренним диаметром, соответствующим внешнему диаметру опорной трубы;
- устройств симметрирования и согласования (УСС) 3.1, 3.2, …3.N.
Каждый полуволновый вибратор 2.n (n=1,2,…N) имеет два плеча 2.n.1 и 2.n.2 одинаковой длины, соответствующей четверти длины волны n-го диапазона частот, определенной с учетом коэффициента укорочения полуволнового вибратора.
Внутри трубы проходят коаксиальные фидерные линии 4.1, 4.2,…4.N, каждая из которых подключается к полуволновому вибратору соответствующего диапазона.
На фиг. 2 представлена схема УСС.
n
n
n
УСС n-го полуволнового вибратора состоит из двух отрезков коаксиального кабеля 3.n.1 и 3.n.2 длиной λ/4 и 3λ/4, где λ – длина волны, соответствующая n-му диапазону частот и определяемая с учетом коэффициента укорочения в кабеле.
Отрезки коаксиальных кабелей свернуты в спираль и последовательно размещены между плечами вибратора на опорной конструкции МАС – трубе из диэлектрического материала 1. Центральные проводники отрезков коаксиальных кабелей 5 и 6 со стороны концов, обращенных друг к другу, соединены между собой и с центральным проводником фидерной линии 4.n, проходящей внутри трубы 1 и выходящей наружу через отверстие в стенке трубы (на рисунке не показано). С этих же концов внешние проводники отрезков коаксиальных кабелей и фидерной линии соединены между собой.
С противоположных концов: центральный проводник 7 верхнего отрезка коаксиального кабеля соединен с верхним плечом 2.n.1 вибратора; центральный проводник 8 нижнего отрезка коаксиального кабеля соединен с нижним плечом 2.n.2 вибратора; внешние проводники отрезков коаксиальных кабелей соединены друг с другом перемычкой 9.
Описанная конструкция УСС компактна. С позиций симметрирования и согласования обладает теми же свойствами, что и обычное U-колено: за счет инвертирования фазы сигнала обеспечивает подключение несимметричной фидерной линии к симметричному полуволновому вибратору и согласование волнового сопротивления фидерной линии и входного сопротивления вибратора при минимуме вносимых потерь, за счет чего достигается высокий коэффициент полезного действия.
Вследствие принципа взаимности в применении к антеннам [2] многодиапазонная антенная система может быть использована также как приемная или приемопередающая, в частности, в системах сотовой и транкинговой связи.
Для защиты от климатических и механических воздействий описанная конструкция МАС помещается в герметичный корпус, представляющий собой трубу из диэлектрического материала подходящего диаметра с заглушкой в верхней части (на фиг. 1 труба и заглушка не показаны).
Многодиапазонная антенная система недорога и технологична при изготовлении и может быть использована в составе передающих и приемных устройств, ретрансляторов (репитеров) в системах радиосвязи, для обеспечения доступа к Интернету в небольших населенных пунктах, что особенно актуально для Российской Федерации, где устойчивое покрытие в основном обеспечено в пределах крупных административных и промышленных центров или вдоль транспортных магистралей федерального значения.
Источники информации
1. Патент № 2708098 РФ, МПК H01Q 21/24. Антенная система с круговой диаграммой направленности для нескольких передатчиков / В.Н. Сергеев, В.А. Шуваев, Е.М. Красов, В.Г. Маркин (РФ); Акционерное общество научно-внедренческое предприятие «ПРОТЕК» (РФ). - № 2019114804;заявлено 14.05.2019; опубл. 04.12.2019, бюл. 34. - 8 с.: 2 ил.
2. Белоцерковский Г.Б. Основы радиотехники и антенны. В 2-х ч. Ч. II. Антенны. – М.: Радио и связь, 1983. – 296 с.
3. Айзенберг Г. 3., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н.  Антенны УКВ/ Под ред. Г. 3. Айзенберга. В 2-х ч. Ч. 1. – М., Связь, 1977. - 384 с.
4. Гошин Г.Г. Устройства СВЧ и антенны. В 2-х ч. Ч.2. Антенны. – Томск: Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2003. – 130 с.
5. Верещагин Е.М. Антенны и распространение радиоволн. – М.: Воениздат, 1964. – 240 с.
6. Патент № 2735261 РФ, МПК H01P 5/10. Симметрирующее устройство для полуволнового вибратора / В.Н. Сергеев, В.А. Шуваев, Е.М. Красов(РФ); Акционерное общество научно-внедренческое предприятие «ПРОТЕК» (РФ). - № 2020112336; заявлено 24.03.2020, опубл. 29.10.2020, бюл. 31. - 8 с.: 1 ил.