ВСЕНАПРАВЛЕННАЯ ДИРЕКТОРНАЯ АНТЕННА

Полезная модель предназначена для использования в составе радиотехнических устройств телевидения, радиовещания и радиосвязи в декаметровом, метровом, дециметровом и сантиметровом диапазонах волн. Известна антенна с управляемой диаграммой направленности [1], состоящая из несимметричных вибраторов длиной около четверти длины электромагнитной волны, установленных перпендикулярно плоской проводящей поверхности и подключенных к ней через управляемые р-i-n диоды. В такой антенне центральный вибратор является активным и возбуждается от коаксиального кабеля. Остальные вибраторы являются пассивными и при включенном диоде играют роль рефлекторов. Вибраторы с отключенным диодом являются электрически прозрачными и на итоговую диаграмму направленности (ДН) влияния практически не оказывают. Благодаря этому формируется направленное в двух плоскостях излучение, причем главный лепесток оказывается отклонен от проводящей плоскости на некоторый угол. При всех включенных диодах теоретически можно получить всенаправленное в одной плоскости излучение. Однако в другой плоскости оно не будет сфокусированным и коэффициент направленного действия будет низок, так как пассивные вибраторы в этом случае экранируют излучение центрального вибратора.
Техническим результатом полезной модели является повышение коэффициента направленного действия антенны при всенаправленности в одной из плоскости.
Для достижения указанного технического результата предлагается всенаправленная директорная антенна, состоящая из одного активного несимметричного вибратора в виде отрезка проводника, расположенного перпендикулярно плоской проводящей поверхности, и множества пассивных вибраторов-директоров в виде отрезков проводника, подключенных к плоской проводящей поверхности, имеющих длину меньше длины активного несимметричного вибратора, расположенных параллельно ему и подключенных ближним краем к проводящей поверхности. При этом пассивные вибраторы-директоры расположены так, что их проекции на проводящую поверхность расположены вдоль окружностей, центр которых совпадает с проекцией активного вибратора на эту проводящую поверхность, на одинаковом вдоль дуги окружности расстоянии от проекций соседних пассивных вибраторов-директоров на проводящую поверхность. Активный вибратор несимметричной антенны имеет длину порядка четверти длины электромагнитной волны.
Излучение в нижнее полупространство проводящего экрана ограничено дифракционными эффектами на его краях и будет тем меньше, чем больше размер экрана. Благодаря этому излучаемая мощность сконцентрирована в только одной половине пространства и КНД антенны будет выше, чем у прототипа. Кроме этого, наличие сплошного экрана избавляет от необходимости использования дополнительных индуктивностей, а подстройка антенны осуществляется изменением длины пассивных элементов.
По мере увеличения радиуса окружностей, вдоль которых расположены пассивные вибраторы, то есть по мере удаления пассивных вибраторов от активного вибратора, длины пассивных вибраторов не изменяются.
Полезная модель поясняется чертежами, на которых:
фиг. 1 -- несимметричная всенаправленная директорная антенна
Несимметричный вариант всенаправленной директорной антенны содержит пассивные вибраторы-директоры в виде отрезков проводника 5-6, 7-8, 9-10, 11-12, 13-14, 15-16, 17-18, 19-20, 21-22, 23-24, 25-26 и 27-28, расположенные перпендикулярно плоской проводящей поверхности 1. Активный вибратор 2-3 имеет длину около четверти длины электромагнитной волны. Один провод линии питания подключается к краю 3 активного вибратора, а второй к проводящей плоскости 1. Пассивные вибраторы-директоры 5-6, 7-8, 9-10, 11-12, 13-14, 15-16, 17-18, 19-20, 21-22, 23-24, 25-26 и 27-28 имеют длину меньшую, чем активный вибратор, и своими ближними концами 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26 и 28 подключаются непосредственно к проводящей поверхности 1.
Концы пассивных вибраторов-директоров, обозначенные точками 6, 8,10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26 и 28 расположены по окружностям, центры которых совпадают друг с другом и с точкой 4, которая является проекцией активного вибратора 2-3 на проводящую поверхность. Расстояния между точками 6 и 8, 8 и 10, 10 и 12, 12 и 6, расположенными на одной окружности, равны. Расстояния между точками 14 и 16, 16 и 18, 18 и 20, 20 и 22, 22 и 24, 24 и 26, 26 и 28, 28 и 14, расположенными на другой окружности, также равны.
Длины пассивных вибраторов-директоров 5-6, 7-8, 9-10 и 11-12 равны друг другу. Также равны длины пассивных вибраторов-директоров 13-14, 15-16, 17-18, 19-20, 21-22, 23-24, 25-26 и 27-28. При этом длины пассивных вибраторов-директоров 13-14, 15-16, 17-18, 19-20, 21-22, 23-24,25-26 и 27-28 равны длинам пассивных вибраторов-директоров 5-6, 7-8, 9-10 и 11-12.
Всенаправленная директорная антенна работает следующим образом.
При подключении питания в точках 3 и 4 к активному вибратору 2-3 в нем образуется стоячая волна тока, и активный вибратор начинает излучать электромагнитные волны. Поскольку длина активного вибратора близка к четверти длины электромагнитной волны, то с учетом плоской проводящей поверхности максимум излучения ориентирован по нормали к оси активного вибратора.
Электромагнитное поле активного вибратора возбуждает токи в пассивных вибраторах-директорах 5-6, 7-8, 9-10, 11-12. Длины пассивных вибраторов-директоров меньше длины активного вибратора, поэтому в них также образуется стоячая волна тока. В результате пассивные вибраторы-директоры с учетом плоской проводящей поверхности 1 создают вторичные электромагнитные волны, максимум интенсивности излучения которых приходится на направление, перпендикулярное к оси пассивных вибраторов-директоров расположенных на одном радиусе окружностей.
Длина пассивных вибраторов-директоров 5-6, 7-8, 9-10, 11-12, 13-14, 15-16, 17-18, 19-20, 21-22, 23-24, 25-26, 27-28 меньше длины активного вибратора 2-3. За счет этого достигается емкостной характер сопротивления пассивных вибраторов-директоров, в связи с чем ток в пассивных вибраторах-директорах отстает по фазе от тока в активном вибраторе.
Поле всенаправленной директорной антенны в дальней зоне является суперпозицией первичного и вторичного электромагнитных полей, создаваемых активным вибратором 2-3 и пассивными вибраторами-директорами 5-6, 7-8, 9-10, 11-12, 13-14, 15-16, 17-18, 19-20, 21-22, 23-24, 25-26, 27-28 соответственно. В плоскости, перпендикулярной пассивным вибраторам-директорам, в направлении от активного вибратора 2-3 к любому из пассивных вибраторов-директоров, например, 5-6 лежащем с 2-3 на одном радиусе, фазовые сдвиги, получаемые полями в результате прохождения расстояний от одного вибратора к другому, будут компенсироваться фазовыми сдвигами, возникающими за счет разности фаз между токами в вибраторах 2-3 и 5-6 и т.д. В результате все поля в направлении радиуса окружностей будут складываться в фазе. В силу симметрии эта ситуация будет иметь место в направлении любого из директоров. Однако в секторе углов между директорами возможна частичная компенсация полей, приводящая к неравномерности диаграммы направленности.
В плоскости, проходящей через активный вибратор, всенаправленная директорная антенна работает подобно антенне «волновой канал». В направлениях, перпендикулярных вибраторам 2-3 и 5-6, 2-3 и 7-8, 2-3 и 9-10 и т.д., первичное и вторичное поля складываются в фазе, что приводит к повышению направленности в рассматриваемой плоскости по сравнению с одиночным несимметричным вибратором.
В силу принципа зеркального изображения влияние плоской проводящей поверхности 1 в несимметричном варианте всенаправленной директорной антенны можно учесть, заменив эту плоскую проводящую поверхность зеркальным изображением расположенных над ней активного 2-3 и пассивных вибраторов-директоров 5-6, 7-8, 9-10, 11-12, 13-14, 15-16, 17-18, 19-20, 21-22, 23-24, 25-26, 27-28 вибраторов. В этом случае несимметричный вариант всенаправленной директорной антенны станет эквивалентен ее симметричному варианту.
Работоспособность предложенной всенаправленной антенны подтверждается приведенными в приложении результатами компьютерного моделирования этой антенны в программе MMANA-GAL Pro 2.5.5.30:
- фиг. 2 - диаграмма направленности антенны с 4 пассивными вибраторами-директорами (активный вибратор 2-3 и пассивные вибраторы-директоры 5-6, 7-8, 9-10, 11-12) в плоскости, перпендикулярной вибраторам (в плоскости всенаправленности);
фиг. 3 - диаграмма направленности антенны с 4 пассивными вибраторами-директорами (активный вибратор 2-3 и пассивные вибраторы-директоры 5-6, 7-8, 9-10, 11-12) в плоскости, проходящей через активный вибратор; фиг. 4-диаграмма направленности антенны с 12 пассивными вибраторами-директорами (активный вибратор 2-3, пассивные вибраторы-директоры 5-6, 7-8, 9-10, 11-12, 13-14, 15-16, 17-18, 19-20, 21-22, 23-24, 25-26, 27-28), расположенными по двум окружностям, в плоскости, перпендикулярной вибраторам (в плоскости всенаправленности);
фиг. 5 - диаграмма направленности антенны с 12 пассивными вибраторами-директорами (активный вибратор 2-3, пассивные вибраторы-директоры 5-6, 7-8, 9-10, 11-12, 13-14, 15-16, 17-18, 19-20, 21-22, 23-24, 25-26, 27-28), расположенными по двум окружностям, в плоскости, проходящей через активный вибратор.
По данным компьютерного моделирования выигрыш в коэффициенте направленного действия от применения 4 пассивных вибраторов-директоров по сравнению с одиночным несимметричным вибратором составляет около 1,9 дБ.
Предложенная всенаправленная директорная антенна в плоскости, перпендикулярной вибраторам, сохраняет всенаправленность, а в плоскости, параллельной им, имеет повышенный коэффициент направленного действия антенны по сравнению с одиночным несимметричным вибратором.
ЛИТЕРАТУРА
1. Федун И.В. Вибраторная антенна вертикальной поляризации … / Патент UA 88309 С2 от 12.10.2009 г.