АНТЕННАЯ РЕШЕТКА ЭЛЛИПТИЧЕСКОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ
ANTENNA GRID OF ELLIPTIC POLARIZATION

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве наземной передающей и/или приемной антенны с эллиптической (круговой) поляризацией.
Вибраторные антенные решетки нашли широкое применение в различных радиоэлектронных системах, работающих от сверхдлинных волн до дециметровых волн. В частности, важным классом антенн являются антенны, всенаправленные в горизонтальной плоскости. Простейшим видом всенаправленной антенны с вертикальной поляризацией является вертикальный симметричный электрический вибратор, а простейшим видом всенаправленной антенны с горизонтальной поляризацией является горизонтальная кольцевая рамка с электрическим током. Недостатком кольцевой рамки с током является ее низкое сопротивление излучения, в силу чего рамки обычно применяют только в качестве приемных антенн. Известны антенны, которые в отношении формирования диаграммы направленности (ДН) равноценны кольцевым рамочным антеннам. Такими антеннами являются системы синфазных вибраторов, расположенных на окружности и лежащих в плоскости этой окружности [1]. Для излучения волны с эллиптической (круговой) поляризацией вертикальный симметричный вибратор и система горизонтальных вибраторов должны быть возбуждены сигналами с одинаковой фазой.
Известна конструкция антенной решетки с круговой поляризацией, более простая по сравнению с системой из вертикального и горизонтальных вибраторов, включающая несколько симметричных вибраторов, расположенных вокруг общей мачты-опоры, наклоненных под 45° по отношению к вертикальной оси, запитанных в фазе путем параллельного подключения их к коаксиальному фидеру [2]. Если поперечный размер антенной решетки составляет порядка половины длины волны, то она имеет практически всенаправленную диаграмму направленности в горизонтальной плоскости. Недостатком этой антенной решетки является то, что в приведенной конструкции используются волновые вибраторы, установленные на металлические опоры, расстояние между которыми равно половине длины рабочей волны.
Наиболее близким техническим решением того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является антенная система с круговой поляризацией для обеспечения всенаправленной ДН [3], включающая наклонные симметричные вибраторы, равномерно расположенные на горизонтальном круге и имеющие симметрирующие устройства в виде короткозамкнутых двухпроводных линий. В этой антенной решетке симметрирующие устройства вибраторов лежат в горизонтальной плоскости и крепятся к вертикальной мачте-опоре, а кабели от симметричных вибраторов подключены к делителю мощности. К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании данного известного устройства, принятого за прототип, относится то, что в известном устройстве при ограничении поперечного размера антенны ограничены длины симметрирующих устройств вибраторов, что не позволяет получить согласования вибраторов в широкой полосе частот.
Важным показателем качества любой антенны является значение коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) на входе антенны. Низкий уровень коэффициента стоячей волны особенно важен для передающей антенны. Важным показателем качества всенаправленной антенны в горизонтальной плоскости является уровень осцилляций ДН антенны в этой плоскости. Предлагаемое техническое решение нацелено на получение технического результата, выражающегося в достижении малого уровня осцилляций ДН поля антенной решетки с эллиптической поляризацией в горизонтальной плоскости при обеспечении низкого уровня КСВН на входе антенны.
Предлагаемая антенная решетка эллиптической поляризации, 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, симметрирующее устройство и коаксиальный кабель, излучатель выполнен из двух одинаковых соосных проводников, между которыми имеется зазор, симметрирующее устройство выполнено в виде короткозамкнутой двухпроводной линии и включает в себя два одинаковых параллельных проводника, которые присоединены с одной стороны к проводникам излучателя в зазоре, а с другой стороны объединены закорачивающим третьим проводником, который присоединен к опоре-мачте, коаксиальный кабель присоединен своим внешним проводником к одному из проводников излучателя в зазоре, а своим внутренним проводником присоединен ко второму проводнику излучателя в зазоре, решает задачу обеспечения малого уровня осцилляций ДН поля антенной решетки эллиптической поляризации в горизонтальной плоскости при обеспечении низкого уровня КСВН на входе антенной решетки эллиптической поляризации.
Эта задача решается за счет введения в каждый симметричный вибратор дополнительного проводника Г-образной формы, который расположен между параллельными проводниками двухпроводной линии, длинное плечо дополнительного проводника Г-образной формы ориентировано вдоль двухпроводной линии, между одним концом длинного плеча дополнительного проводника Г-образной формы и закорачивающим проводником двухпроводной линии имеется зазор, второй конец длинного плеча дополнительного проводника Г-образной формы соединен с одним из параллельных проводников двухпроводной линии с помощью короткого плеча дополнительного проводника Г-образной формы.
На фиг. 1 показан один из возможных вариантов выполнения антенной решетки эллиптической поляризации, предназначенной для приема и передачи электромагнитных волн. Антенная решетка эллиптической поляризации включает четыре одинаковых симметричных вибратора, установленных на опоре-мачте (1) и наклоненных на одинаковый угол по отношению к плоскости, перпендикулярной опоре-мачте. При этом любой симметричный вибратор переходит в соседний симметричный вибратор при повороте его на 90° вокруг оси опоры-мачты. Каждый симметричный вибратор содержит излучатель, симметрирующее устройство и коаксиальный кабель (2). Излучатель выполнен из двух одинаковых соосных проводников (3), между которыми имеется зазор. Симметрирующее устройство выполнено в виде короткозамкнутой двухпроводной линии и включает в себя два одинаковых параллельных проводника (4), которые присоединены с одной стороны к проводникам излучателя в зазоре, а с другой стороны объединены закорачивающим третьим проводником (5), который присоединен к опоре-мачте (1). Коаксиальный кабель (2) присоединен своим внешним проводником к одному из проводников (3) излучателя в зазоре, а своим внутренним проводником присоединен ко второму проводнику (3) излучателя в зазоре. В каждый симметричный вибратор введен дополнительный проводник Г-образной формы, который расположен между параллельными проводниками двухпроводной линии (4), длинное плечо дополнительного проводника Г-образной формы (6) ориентировано вдоль двухпроводной линии, между одним концом длинного плеча дополнительного проводника Г-образной формы (6) и закорачивающим проводником двухпроводной линии (5) имеется зазор, второй конец длинного плеча дополнительного проводника Г-образной формы (6) соединен с одним из параллельных проводников двухпроводной линии (4) с помощью короткого плеча дополнительного проводника Г-образной формы (7).
Выходы кабелей (2) симметричных вибраторов подключены к синфазному делителю мощности (8). Кабели (2) могут проходить в вибраторах внутри проводников (4), а далее могут быть пропущены внутри трубы опоры-мачты (1). Входом антенны является вход делителя мощности (8).
Рассмотрим функционирование антенной решетки эллиптической поляризации. Поскольку антенная решетка эллиптической поляризации является взаимным устройством, то она одинаково работает как на прием, так и на передачу радиоволн. Удобнее рассматривать ее работу в передающем режиме. Пусть на вход антенной решетки эллиптической поляризации поступает сигнал с частотой, значение которой находится в рабочей полосе частот. Этот сигнал делится на четыре равные части в синфазном делителе мощности (8). Далее сигнал поступает по коаксиальным кабелям (2) к каждому из четырех вибраторов. На вибраторах возбуждаются электрические токи, которые излучают подведенную мощность в окружающее пространство. Важным показателем качества всенаправленной антенны в горизонтальной плоскости является уровень осцилляций ДН антенны в этой плоскости. ДН идеальной всенаправленной антенны является осесимметричной. Известная антенная решетка вибраторов [3] геометрически не является осесимметричной, поэтому ее ДН в горизонтальной плоскости также не является осесимметричной и имеет некоторый уровень осцилляций. Данный уровень осцилляций определяется геометрическим фактором: расстоянием между фазовыми центрами противоположных вибраторов в антенной решетке (поперечным размером антенной решетки). Для обеспечения приемлемого уровня осцилляций (из практических соображений допустимыми могут быть осцилляции не более ±3 дБ) поперечный размер антенной решетки не должен превышать 0,5λ…0,6λ, где λ - длина волны в свободном пространстве на рабочей частоте. Таким образом, для обеспечения оптимальных характеристик по одному показателю качества антенной решетки - по уровню осцилляций ДН в горизонтальной плоскости, налагается ограничение на поперечный размер антенны. Рассмотрим, что при этом происходит с характеристикой по другому показателю качества - по коэффициенту стоячей волны по напряжению. В известной антенной решетке вибраторов [3] коэффициент стоячей волны по напряжению на входе антенны определяется как коэффициентами стоячей волны на входах каждого вибратора, так и характеристиками делителя мощности. Как правило, правильно спроектированные делители мощности имеют входной КСВН порядка 1,2 и развязку между выходами не менее 20 дБ. Если используется такой делитель, то приближенно можно считать, что результирующий КСВН по входу антенны будет определяться КСВН нагрузок, подключенных к делителю, то есть КСВН симметричных вибраторов в составе антенной решетки.
В конструкции прототипа [3] ограничение на поперечный размер антенной решетки вибраторов автоматически ограничивает длину симметрирующего устройства каждого симметричного вибратора, длина которого не может превышать половину поперечного размера антенной решетки вибраторов (без учета диаметра мачты-опоры). Таким образом, длина симметрирующего устройства (закороченной двухпроводной линии) не может превышать 0,25λ…0,3λ. КСВН вибратора с симметрирующим устройством определяется как импедансом самого вибратора, так и импедансом шлейфа, коим является симметрирующее устройство, подключенного параллельно к зажимам вибратора. Если фидер имеет волновое сопротивление 75 Ом, то полуволновой вибратор с симметрирующим устройством длиной 0,25λ будет практически идеально согласован на центральной частоте. В диапазоне частот будут меняться как входной импеданс симметричного вибратора, так и импеданс шлейфа, коэффициент отражения возрастет. В последнее время стандартом для всех высокочастотных систем является волновое сопротивление фидера 50 Ом. Результаты электродинамических расчетов и измерений макетов антенн показали, что для достижения оптимального согласования полуволнового вибратора с таким фидером требуется длина шлейфа симметрирующего устройства 0,35λ…0,45λ. Разместить в антенной решетке с поперечным размером 0,5λ…0,6λ [3] вибраторы с такими симметрирующими устройствами не представляется возможным. Эта проблема решается путем введения в состав симметрирующего устройства каждого симметричного вибратора дополнительного проводника Г-образной формы. Физический смысл введения дополнительного проводника Г-образной формы состоит в том, что внутри закороченной двухпроводной линии создается «эквивалентная» двухпроводная линия большей электрической длины, чем исходная. Данная «эквивалентная» двухпроводная линия состоит из нескольких участков с разным волновым сопротивлением, в результате чего формируется поворот двухпроводной линии на 180°.
Электрические токи на симметричных вибраторах излучают подведенную мощность в окружающее пространство в виде волны эллиптической поляризации. Коэффициент эллиптичности зависит от угла наклона вибраторов и определяется соотношением амплитуд вертикальной и горизонтальной компонент электрического поля, причем в этой антенной решетке обеспечивается «пространственное фазирование» вертикальной и горизонтальной компонент электрического поля, суть которого состоит в том, что вертикальная составляющая электрического поля создается проекциями токов симметричных вибраторов на вертикальную ось, которые синфазны, а горизонтальная составляющая электрического поля создается проекциями токов симметричных вибраторов на горизонтальную плоскость, которые направлены по кругу и образуют эквивалентную рамку с электрическим током; благодаря этому вертикальная и горизонтальная компоненты излучаемого электрического поля автоматически находятся в фазовой квадратуре. Для обеспечения круговой поляризации требуется наклон вибраторов под углом 45° по отношению к горизонтальной плоскости. На фиг. 2 показана фотография макета антенной решетки эллиптической поляризации, в котором вибраторы изготовлены из фольги, для центральной рабочей частоты 1130 МГц. Вибраторы наклонены на угол 35° по отношению к горизонтальной плоскости, чтобы входная мощность делилась между вертикальной и горизонтальной поляризациями в соотношении приблизительно 30% и 70%. Делитель мощности с развязкой выходов для запитки вибраторов выполнен на несимметричной линии по схеме «елочка» и имеет 50-омные порты. На фиг. 3 показан измеренный КСВН по входу макета антенны. КСВН не превышает значение 2,0 в полосе ≈250 МГц, что в процентном отношении составляет 22% (для частоты 1130 МГц). На фиг. 4 показаны измеренные нормированные ДН в горизонтальной плоскости для вертикальной и горизонтальной поляризаций поля на частоте 1130 МГц.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:
- антенное устройство, воплощающее заявленное изобретение, предназначено для использования в промышленности, а именно в технике антенн, например, в качестве передающей и/или приемной наземной антенны;
- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств;
- антенное устройство, воплощающее заявленное изобретение, позволяет реализовать следующий технический результат: получить антенную решетку эллиптической поляризации с всенаправленной диаграммой направленности в горизонтальной плоскости с малым уровнем осцилляций поля и низким уровнем коэффициента стоячей волны по напряжению на входе, что позволит обеспечить эффективный прием и передачу волн эллиптической поляризации.
Источники информации
1. Мейнке X., Гундлах Ф. Радиотехнический справочник. Том. 1, 1960, Госэнергоиздат, 417 с.
2. Патент US 2217911, Lindelblad N.E. Radio communication).
3. Патент US 4083051, Woodward O.M. Circularly-polarized antenna using tilted dipoles).