Компактная вертикальная антенная решетка круговой направленности на основе полуволновых разрезных вибраторов
COMPACT VERTICAL CIRCULAR ANTENNA ARRAY BASED ON HALF-WAVE SECTIONED VIBRATORS

Изобретение относится к области радиотехники и может быть применено в системах передачи/приема сигналов для обеспечения больших зон покрытия (обслуживания) за счет повышения мощности излучения передающего устройства или чувствительности по полю приемного устройства, в том числе в системах сотовой, транкинговой связи, в составе базовых и диспетчерских станций, для построения ретрансляторов (репитеров) среднего и большего радиуса действия, а также в системах другого назначения.
Известна компактная вертикальная антенная решетка (КВАР) [1], содержащая несущую металлическую опору в форме трубы, на которой расположены N вертикальных вибраторов; верхнее и нижнее плечи каждого вибратора выполнены в виде соосных опоре металлических цилиндров, электрически соединенных с опорой в верхних частях и образующих внешними поверхностями плечи вибраторов, а внутренними поверхностями совместно с опорой коаксиальные резонаторы.
Данное конструктивное решение КВАР имеет следующие недостатки:
- соосные опоре металлических цилиндры имеют достаточно большие поперечные размеры - их диаметр, по крайней мере, в два раза превышает диаметр опоры;
- введение в конструкцию дополнительных перемычек, а также незапитываемых резонаторов для исключения перетекания токов с внешней поверхности резонаторов на металлическую опору и изоляции резонаторов друг от друга и от опоры по высокой частоте, а также компенсации торцевой емкости резонаторов приводит к усложнению технологии изготовления, увеличению продольных (вертикальных) габаритов КВАР и возрастанию ее массы;
- необходимость применения дополнительной технологической оснасти в процессе изготовления КВАР для обеспечения прочности конструкции и жесткости соединения металлических цилиндров, образующих верхнее и нижнее плечи вибраторов, с металлической опорой с использованием основных и дополнительных металлических перемычек;
- необходимость создания в перемычках специальных дренажных отверстий для удаления конденсата, образующегося в чашеподобных резонаторах, что также усложняет технологию изготовления.
Целью предлагаемого изобретения является разработка компактной вертикальной антенной решетки круговой направленности на основе полуволновых разрезных вибраторов, обеспечивающей большое усиление и обладающей небольшими габаритами и массой, технологичной при изготовлении.
Поставленная цель достигается при использовании в КВАР полуволновых разрезных вибраторов (диполей), пространственно совмещенных с несущей опорой в форме трубы из диэлектрического материала, на которой друг над другомрасположены N вертикальных вибраторов, имеющих верхнее и нижнее плечи, при этом внешний диаметр несущей опоры соответствует внутреннему диаметру вибратора, выполненного из металлических трубок; внутри несущей опоры проходят N коаксиальных фидеров, каждый из которых через отверстие в несущей опоре подключен к одному из вибраторов через устройство симметрирования и согласования (УСС) входного сопротивления полуволнового вибратора и волнового сопротивления фидера, представляющее собой модифицированное U-колено, состоящее из двух отрезков коаксиальных кабелей с электрическими длинами, равными четверти и трем четвертям длины волны, свернутых в виде спиралей и размещенных между плечами вибратора на несущей опоре.
Использование в качестве несущей опоры трубы из диэлектрического материала устраняет затекание токов и обеспечивает развязку вибраторов друг от друга и от несущей опоры.
Малая торцевая поверхность трубок, из которых изготовлены вибраторы, минимизирует эффект влияния торцевой емкости.
Устройство симметрирования и согласования обеспечивает симметричное возбуждение полуволнового разрезного вибратора при питании от несимметричного коаксиального фидера и согласование входного сопротивления вибратора с волновым сопротивлением фидера, за счет чего минимизируются потери, и обеспечивается высокий коэффициент полезного действия вибратора.
Параллельное питание полуволновых разрезных вибраторов, входящих в состав КВАР на основе полуволновых разрезных вибраторов, обеспечивает высокое усиление при круговой диаграмме направленности.
Пространственное совмещение вибраторов с несущей опорой и компактность устройств симметрирования и согласования обеспечивают малые габариты КВАР на основе полуволновых разрезных вибраторов и устраняют необходимость удаления конденсата, что актуально для чашеподобных резонаторов, используемых в конструкции прототипа [1].
Сущность изобретения и конструктивные особенности КВАР на основе полуволновых разрезных вибраторов поясняются рисунками.
На фиг. 1 приведена схема общей конструкции КВАР на основе полуволновых разрезных вибраторов (выделена штриховой линией в виде прямоугольника), на фиг. 2 приведена схема УСС из состава КВАР на основе полуволновых разрезных вибраторов, у которого верхняя и нижняя спирали намотаны в одном направлении, на фиг. 3 приведена схема варианта исполнения УСС из состава КВАР на основе полуволновых разрезных вибраторов, у которого верхняя и нижняя спирали намотаны в противоположных направлениях, на фиг. 4 приведены теоретически рассчитанные диаграммы направленности в вертикальной плоскости, характеризующие усиление КВАР на основе полуволновых разрезных вибраторов.
Компактная вертикальная антенная решетка круговой направленности на основе полуволновых разрезных вибраторов состоит из следующих элементов:
- несущей опоры 1, представляющей собой трубу из диэлектрического материала, например, труба из ПВХ или - для повышения прочности конструкции - трубы из ПВХ, армированной стекловолокном;
- полуволновых разрезных вибраторов 2.1, 2.2, …, 2.N (где N - число вибраторов), выполненных из металлических трубок (из меди, латуни и т.п.) с внутренним диаметром, соответствующим внешнему диаметру несущей опоры 1, вибраторы идентичны друг другу, геометрическая длина каждого из них соответствует половине длины волны с учетом коэффициента укорочения полуволнового вибратора;
- идентичных устройств симметрирования и согласования 3.1, 3.2, …, 3.N, размещаемых на несущей опоре 1 между плечами полуволновых вибраторов 2.1, 2.2, …, 2.N.
Каждый полуволновый разрезной вибратор 2.n (n=1, 2, …, N) имеет два плеча 2.n.1 и 2.n.2 одинаковой длины, пропорциональной четверти длины волны и определенной с учетом коэффициента укорочения полуволнового вибратора.
Внутри несущей опоры проходят коаксиальные фидерные линии 4.1, 4.2, …, 4.N, каждая из которых с одной стороны подключается к одному из полуволновых вибраторов 2.n, а с другой стороны к соответствующему каналу формирования/приема сигнала 5.1, 5.2, …, 5.N.
УСС каждого полуволнового разрезного вибратора 2.n состоит из двух отрезков коаксиального кабеля 3.n.1 и 3.n.2, электрическая длина которых, определенная с учетом укорочения в кабеле, равна 3λ/4 и λ/4 соответственно, где λ - длина волны.
Отрезки коаксиальных кабелей 3.n.1 и 3.n.2 свернуты в виде спиралей и последовательно размещены между плечами 2.n.1 и 2.n.2 полуволнового разрезного вибратора 2.n на несущей опоре 1.
Центральные проводники 6 и 7 отрезков коаксиальных кабелей 3.n.1 и 3.n.2 со стороны концов, обращенных друг к другу, соединены между собой и с центральным проводником фидерной линии 4.n, проходящей внутри несущей опоры 1 и выходящей наружу через отверстие в ее стенке (отверстие на фиг. не показано). С этих же концов внешние проводники отрезков коаксиальных кабелей 3.n.1 и 3.n.2 и фидерной линии 4.n соединены между собой.
С противоположных концов: центральный проводник 8 отрезка коаксиального кабеля 3.n.1 соединен с плечом 2.n.1 полуволнового вибратора; центральный проводник 9 отрезка коаксиального кабеля 3.n.2 соединен с плечом 2.n.2 этого вибратора; концы внешних проводников отрезков коаксиальных кабелей 3.n.1 и 3.n.2 соединены друг с другом перемычкой 10.
Для изготовления УСС в передающей антенне целесообразно использовать радиочастотные коаксиальные кабели типов РК 50-2-25, РК 50-1,5-22 и им подобные, внешний проводник которых выполнен в виде цельнотятутой трубки. Такие кабели обеспечивают малый радиус изгиба при монтаже (до 4-5 мм) при допустимой подводимой мощности в дециметровом диапазоне до 80-250 Вт. Для приемных антенн могут быть использованы более дешевые радиочастотные коаксиальные кабели небольшого сечения с внешним проводником в виде оплетки из проволок и т.п., обладающие малым радиусом изгиба при монтаже.
Описанная конструкция УСС компактна, обладает малой массой, технологична при изготовлении. 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.
При параллельном питании полуволновых разрезных вибраторов 2.1, 2.2, …, 2.N и синфазном их возбуждении диаграмма направленности антенной решетки в вертикальной плоскости с увеличением числа вибраторов сужается, за счет чего повышается направленность антенны и возрастает усиление. В азимутальной плоскости диаграмма направленности остается круговой при любом количестве вибраторов в ее составе.
На фиг. 4 приведены теоретически рассчитанные для КВАР на основе полуволновых разрезных вибраторов, предназначенных для работы в диапазоне 900 МГц, диаграммы направленности в вертикальной плоскости, характеризующие усиление КВАР на основе полуволновых разрезных вибраторов в децибелах относительно диполя - антенны, состоящей из одного полуволнового вибратора:
- сплошная линия соответствует двухэлементной КВАР на основе полуволновых разрезных вибраторов, состоящей из двух полуволновых разрезных вибраторов 2;
- штриховая линия - четырехэлементной КВАР на основе полуволновых разрезных вибраторов, содержащей четыре полуволновых разрезных вибратора 2.
В первом случае усиление КВАР относительно диполя в направлении максимального излучения достигает 6 дБ, во втором - 12 дБ. С учетом принципа взаимности аналогичные характеристики антенная решетка имеет и в режиме приема.
Габариты предлагаемой конструкции КВАР на основе полуволновых разрезных вибраторов меньше габаритов конструкции [1]. Поперечные габариты КВАР на основе полуволновых разрезных вибраторов не более чем на 10-15% превышают диаметр несущей опоры 1, в то время как в конструкции [1] это превышение составляет не менее 100%. Замена несущей металлической опоры в конструкции [1] на несущую опору из диэлектрического материала в предлагаемой конструкции обеспечивает развязку между вибраторами без использования дополнительных незапитываемых резонаторов или перемычек, применяемых в конструкции [1].
Для защиты от климатических и механических воздействий предлагаемая конструкция КВАР на основе полуволновых разрезных вибраторов помещается в герметичный корпус, представляющий собой трубу из диэлектрического материала с заглушкой в верхней части (на фиг. труба и заглушка не показаны).
Меньшие поперечные габариты предлагаемой КВАР на основе полуволновых разрезных вибраторов позволяют использовать для такой защиты изолирующую диэлектрическую трубу меньшего диаметра, чем в конструкции [1], что также снижает массогабаритные характеристики, а также воздействие ветровых нагрузок. Устранена возможность скапливания конденсата.
КВАР на основе полуволновых разрезных вибраторов лишена недостатков, присущих прототипу [1], имеет малые массогабаритные характеристики, конструктивно проста и технологична при изготовлении, реализует большое усиление при круговой направленности в азимутальной плоскости и вертикальной поляризации волны.
Источники информации
1. Патент № 2573224 РФ, МПК H01Q 21/20, H01Q 9/18. Компактная вертикальная антенная решетка из вертикальных вибраторов, пространственно совмещенных с опорой / Д.В. Лучин (РФ) и др.; (ФГУП НИИР) (РФ). - № 2013144786/08; заявлено 04.10.2013, опубл. 20.01.2016, бюл. № 2. - 21 с., 10 ил.