Многодиапазонная антенная система круговой направленности на основе волновых вибраторов с устройствами симметрирования и согласования
MULTIBAND CIRCULAR DIRECTIVITY ANTENNA SYSTEM BASED ON WAVE VIBRATORS WITH BALANCING AND MATCHING APPARATUS

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в системах передачи/приема сигналов с применением нескольких приемопередатчиков (каналов передачи/приема радиосигналов), 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), используется несколько диапазонов (полос) частот, которые значительно разнесены друг от друга (на сотни–тысячи мегагерц). Выделенные этим системам полосы частот относительно узки (относительная ширина полосы не превышают 10 % от средней частоты соответствующего диапазона).
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. При этом зачастую имеют место сложные условия, в которых эксплуатируются антенные устройства этих систем, связанные с воздействием внешних неблагоприятных факторов: дождь, снег, ветровые нагрузки и др.
n
n
n
Известна многодиапазонная антенная система на основе полуволновых вибраторов с устройствами симметрирования и согласования, обеспечивающая перекрытие выделенных системам сотовой связи полос частот и защиту от неблагоприятных механических и климатических воздействий [1]. Полуволновые вибраторы размещены друг над другом на опоре – трубе из диэлектрического материала, внутри которой проходят коаксиальные кабели (фидеры), соединяющие каждый вибратор с соответствующим передатчиком/приемником (каналом передачи/приема) радиосигнала. Устройство симметрирования и согласования каждого полуволнового вибратора состоит из двух отрезков коаксиального кабеля длиной λ/4 и 3/4λ, свернутых в виде спиралей и последовательно расположенных на опорной трубе антенной системы между плечами вибратора, где λ – длина волны, определенная с учетом укорочения в кабеле и соответствующая n-му диапазону частот, n=1…N; N – число диапазонов частот. Для защиты от воздействия внешних неблагоприятных факторов антенная система помещается в радиопрозрачный корпус (труба из диэлектрического материала).
Недостатком полуволновых вибраторов является малый коэффициент усиления. Поэтому наряду с указанной антенной системой в системах передачи/приема сигналов с применением нескольких приемопередатчиков (каналов передачи/приема радиосигналов), работающих в различных диапазонах (разнесенных полосах) частот, может быть использована предлагаемая многодиапазонная антенная система на основе волновых вибраторов с устройствами симметрирования и согласования иной конструкции, имеющих больший коэффициент усиления.
Особенностью волновых вибраторов является то, что им соответствуют иные по сравнению с полуволновыми вибраторами распределения тока и напряжения по оси вибратора: на входных зажимах волнового вибратора получается пучность напряжения и узел тока в отличие от полуволнового вибратора, у которого на входных зажимах получается пучность тока и узел напряжения. Вследствие этого волновые вибраторы обладают большим сопротивлением излучения (порядка 200 Ом), чем полуволновые вибраторы (73 Ома) [2, 3]. Волновым вибраторам соответствуют и более высокие значения их входных сопротивлений по сравнению с полуволновыми вибраторами.
Поэтому для подключения симметричного волнового вибратора к несимметричной коаксиальной фидерной линии с волновым сопротивлением 50 или 75 Ом помимо симметрирования необходимо обеспечить понижение входного сопротивления вибратора.
Для этого может быть использована схема симметрирования и согласования на основе U-колена – полуволновой петли, представляющей собой отрезок коаксиального кабеля с электрической длиной в половину длины волны, включаемой между плечами вибратора [2, 3]. За счет инвертирования фазы сигнала при его прохождении через полуволновую петлю обеспечивается симметричное возбуждение плеч вибратора при питании от несимметричной коаксиальной линии. Кроме того, полуволновая петля обладает свойством трансформации сопротивлений и обеспечивает понижение входного сопротивления вибратора в 4 раза (в этой связи полуволновую петлю еще называют трансформатором или делителем на 4), т.е. до значений близких к значениям волновых сопротивлений наиболее распространенных коаксиальных кабелей.
Несмотря на конструктивную простоту свободновисящей полуволновой петли для систем радиосвязи и систем другого назначения, где необходимо обеспечение круговой направленности антенны и использование вертикальной поляризации волны, и особенно для многодиапазонных систем, она малопригодна, по следующим причинам:
- при вертикальном расположении антенны свободновисящие полуволновые петли могут приводить к искажению диаграмм направленности вибраторов и возникновению антенного эффекта;
- отсутствует или затруднена возможность защиты антенной системы от неблагоприятных механических и климатических воздействий (ветровые нагрузки, песок, пыль, дождь, снег, роса, морская соль и т.п.).
Устранение указанных недостатков может быть достигнуто путем включения между плечами каждого волнового вибратора, входящего в состав многодиапазонной антенной системы модифицированного U-колена в виде полуволновой петли, свернутой в виде спирали и размещаемой между плечами волнового вибратора.
Такого типа устройство симметрирования и согласования недорого, технологично при изготовлении и в дециметровом диапазоне, который, в частности, используется в системах сотовой связи, получается очень компактным.
Многодиапазонная антенная система (МАС) на основе волновых вибраторов, функционирующих в разнесенных полосах частот, совместно с устройствами симметрирования и согласования (УСС) в виде полуволновых петель соответствующей длины, свернутых в виде спиралей между плечами вибраторов, обеспечивает в каждом диапазоне круговую диаграмму направленности в плоскости ортогональной оси антенны при вертикальной поляризации волны.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведена схема общей конструкции многодиапазонной антенной системы на основе волновых вибраторов с устройствами симметрирования и согласования (МАС выделена штриховой линией в виде прямоугольника).
МАС состоит из следующих основных элементов:
- опоры 1, представляющей собой трубу из диэлектрического материала, например, ПВХ или – для повышения прочности конструкции – ПВХ, армированного стекловолокном;
- волновых вибраторов 2.1, 2.2, …, 2.N (где N – число используемых диапазонов частот), выполненных из металлических трубок (из меди, алюминия, латуни, стали) с внутренним диаметром, соответствующим внешнему диаметру опоры 1, размещенных на этой опоре 1;
- устройств симметрирования и согласования 3.1, 3.2, …, 3.N.
n
n
Каждый волновой вибратор 2.n (n=1, 2, …, N) имеет два плеча 2.n.1 и 2.n.2 одинаковой длины, пропорциональной λ/2 и определенной с учетом коэффициента укорочения волнового вибратора, где λ – длина волны, для работы на которой предназначен вибратор.
Внутри опоры 1 проходят коаксиальные фидерные линии 4.1, 4.2,…4.N, каждая из которых выходит наружу через отверстие в стенке и подключается к плечам волнового вибратора соответствующего диапазона. С противоположной стороны фидерные линии подключаются к выходам передатчиков/входам приемников 5.1, 5.2,…5.N.
На фиг. 2 приведена схема УСС для волнового вибратора.
Устройство симметрирования и согласования 3.n (выделено штриховой линией) для волнового вибратора 2.n представляет собой полуволновую петлю 3.n.1 из коаксиального кабеля, свернутого в виде спирали и размещенного между плечами 2.n.1 и 2.n.2 вибратора на опоре 1.
Центральный проводник полуволновой петли 3.n.1 с одной стороны соединяется с плечом 2.n.1 волнового вибратора 2.n; с другой стороны центральный проводник полуволновой петли 3.n.1 соединяется с центральным проводником фидерной линии 4.n, проходящей внутри опоры 1 и выходящей наружу через отверстие в стенке, и вторым плечом 2.n.2 вибратора 2.n. Концы внешнего проводника коаксиального кабеля, из которого изготовлена полуволновая петля 3.n.1, соединяются друг с другом и внешним проводником фидера 4.n перемычкой 3.n.2.
Для изготовления полуволновой петли в виде спирали 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 цельнотянутый трубки. Такие кабели обеспечивают малый радиус изгиба при монтаже (до 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., также обладающие малым радиусом изгиба при монтаже.
Для защиты от климатических и механических воздействий описанная конструкция МАС помещается в герметичный корпус, представляющий собой трубу из диэлектрического материала с заглушкой в верхней части (на фиг. 1 труба и заглушка не показаны).
При вертикальном расположении многодиапазонной антенной системы обеспечивается круговая диаграмма направленности в азимутальной плоскости для каждого из вибраторов при линейной вертикальной поляризации волны.
Многодиапазонная антенная система круговой направленности на основе волновых вибраторов с устройствами симметрирования и согласования 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.
Источники информации
1. Пат. 2763113 Российская Федерация, МПК H01Q 21/24, H01Q 9/28. Многодиапазонная антенная система круговой направленности на основе полуволновых вибраторов с устройствами симметрирования и согласования / В.Н. Сергеев, В.А. Шуваев, Е.М. Красов; заявитель и патентообладатель Акционерное общество научно-внедренческое предприятие «ПРОТЕК» - № 2021114533 ; заявл. 24.05.2021, опубл. 27.11.2021, бюл. №36. - 10 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. Гошин Г.Г. Устройства СВЧ и антенны. В 2-х ч. Ч.2. Антенны. – Томск: Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2003. – 130 с.