"КАРУСЕЛЬНАЯ" АНТЕННА КРУГОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ
"CAROUSEL" ANTENNA OF CIRCULAR RADIATION OF VERTICAL POLARISATION

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве широкополосной антенны вертикальной поляризации с круговой диаграммой направленности в системах транспортной, мобильной и стационарной радиосвязи. Заявленная антенна может применяться преимущественно в метровом и дециметровом диапазонах радиоволн.
Известны антенны вертикальной поляризации с азимутально-изотропными диаграммами направленности без принципиальных ограничений рабочей полосы в сторону верхних частот, например дискоконусная антенна (Сазанов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. - М.: Высш. школа, 1988, стр.251, рис.10.7).
Недостатком данной антенны является недостаточно высокое значение коэффициента усиления.
Известна шунтовая антенна (пат. РФ №2113747, опубл. 20.06.1998), содержащая активный излучатель, выполненный в виде ряда параллельных проводников, расположенных друг от друга на расстоянии, много меньшем длины рабочей волны, равной длины горизонтальных проводников, присоединенных одними концами к соответствующим вертикальным проводникам, а вторыми концами к соединительному горизонтальному проводу, и генератор, включенный в один из вертикальных проводов, вертикальные провода расположены по ребрам правильной треугольной призмы, а равной длины горизонтальные провода выполнены радиально, расходящимися от центра симметрии антенны под углом 2π/3 друг к другу, при этом соединительные горизонтальные провода равной длины и формы образуют в верхней и нижней частях призмы идентичные фигуры, симметричные относительно центра симметрии, например круг.
Недостатком такой антенны является низкий коэффициент усиления, равный коэффициенту усиления короткого симметричного излучателя, и существенно изменяющаяся в горизонтальной и вертикальной плоскостях при вертикальной поляризации сигналов в зависимости от рабочей частоты диаграмма направленности.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой в качестве изобретения антенне является антенна (пат. РФ №2199804, опубл. 10.06.2002), содержащая две ромбообразные секции и, по меньшей мере, одну дополнительную ромбообразную секцию, подсоединенные смежно в ряд друг к другу. По периметру ромбообразных секций расположены проводники. В месте соединения двух ромбообразных секций между их проводниками выполнен зазор, предназначенный для подключения к проводникам двухпроводного фидера. Проводники дополнительной ромбообразной секции подсоединены к проводникам, расположенным в одинаковом с ними направлении по периметру смежной ромбообразной секции, с перекрещиванием.
Данная антенна вертикальной поляризации имеет высокий коэффициент усиления, но не обеспечивает круговую диаграмму направленности.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в обеспечении круговой диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, увеличении коэффициента усиления антенны при сужении диаграммы направленности в вертикальной плоскости.
Для достижения указанного технического результата в «карусельной» антенне кругового излучения вертикальной поляризации, содержащей пару ромбообразных секций с углами α, по периметру секций расположены проводники, имеющие длину, обеспечивающую образование точек нулевого потенциала, при этом проводники ромбообразных секций соединены в паре между собой с образованием зазора, предназначенного для подключения двухпроводного фидера, рефлектор, дополнительно введено несколько аналогичных пар ромбообразных секций и несколько двухпроводных фидеров, при этом количество пар ромбообразных секций и количество двухпроводных фидеров соответствуют условию обеспечения круговой диаграммы направленности, пары ромбообразных секций соединены между собой с перекрещиванием их проводников и с образованием в местах перекрещивания точек нулевого потенциала, при этом пары ромбообразных секций образуют единое замкнутое по окружности полотно с радиусом R, рефлектор расположен вертикально внутри полотна из ромбообразных секций и представляет собой цилиндр с радиусом r, боковая поверхность цилиндра составлена из вертикальных проводников, расположенных параллельно друг другу и на расстоянии друг от друга, меньшем
мин
мин
ср
ср
макс
макс
0,1λ/2, где λ - минимальная длина волны, при этом радиус цилиндра r меньше радиуса R полотна из ромбообразных секций на (0,15-0,27)λ, где λ - средняя длина волны, а высота цилиндра больше λ/2, где λ - максимальная длина волны, угол α выбран из условия обеспечения максимального коэффициента усиления антенны
Отличительными признаками предлагаемой «карусельной» антенны от указанной выше известной, наиболее близкой к ней, являются следующие:
- дополнительное введение нескольких аналогичных пар ромбообразных секций и несколько двухпроводных фидеров;
- общее количество пар ромбообразных секций кратно четырем,
- количество двухпроводных фидеров равно четырем,
- пары ромбообразных секций соединены между собой с перекрещиванием их проводников и с образованием в местах перекрещивания точек нулевого потенциала,
- пары ромбообразных секций образуют единое замкнутое по окружности полотно,
- рефлектор расположен вертикально внутри полотна из ромбообразных секций и представляет собой цилиндр, боковая поверхность которого составлена из вертикальных проводников;
мин
мин
- проводники цилиндра расположены параллельно друг другу и на расстоянии друг от друга, меньшем 0,1λ/2, где λ - минимальная длина волны;
- радиус цилиндра меньше радиуса полотна из ромбообразных секций на
ср
ср
макс
макс
(0,15- 0,27)λ, где λ - средняя длина волны, а высота цилиндра больше λ/2, где λ- максимальная длина волны;
- угол α составляет 90°.
Благодаря наличию этих признаков предлагаемая «карусельная» антенна имеет четкую круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости и высокий коэффициент усиления при сужении диаграммы направленности в вертикальной плоскости.
При этом, если количество пар ромбообразных секций не будет кратно четырем, а количество двухпроводных фидеров будет меньше или больше четырех, то антенна не имеет круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости. Кроме того, параметры антенны сильно ухудшаются: коэффициент стоячей волны (КСВ) сильно снижается, существенно меняется входное сопротивление на различных частотах. Выполнение рефлектора в форме цилиндра, составленного из вертикальных проводников, способствует обеспечению круговой диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости и, кроме того, увеличению коэффициента усиления при сужении диаграммы направленности в вертикальной плоскости. Выполнение ромбообразных секций с углами, равными 90°, способствует максимальному увеличению коэффициента усиления предлагаемой антенны.
Предлагаемая «карусельная» антенна иллюстрируется чертежами, представленными нафиг.1-5.
На фиг.1 схематично изображена предлагаемая «карусельная» антенна, на фиг.2 - то же, вид сверху, на фиг.3 - диаграмма направленности «карусельной» антенны в горизонтальной плоскости, на фиг.4 - диаграмма направленности «карусельной» антенны в вертикальной плоскости, на фиг.5 - график изменения коэффициента стоячей волны в рабочем диапазоне частот «карусельной» антенны.
ср
ср
мин
мин
макс
макс
ср
ср
Антенна (фиг.1) содержит четыре пары 1 ромбообразных секций. По периметру пар 1 ромбообразных секций расположены проводники 2. Длина проводников 2 составляет λ/4, где λ - средняя длина волны. Проводники 2 в каждой паре 1 ромбообразных секций соединены между собой с образованием зазора 3. Зазор 3 предназначен для подключения двухпроводного фидера 4. Пары 1 ромбообразных секций соединены между собой с перекрещиванием их проводников 2 и с образованием в местах перекрещивания точек 5 нулевого потенциала. Пары 1 ромбообразных секций образуют единое замкнутое по окружности полотно 6, имеющее радиус R (фиг.2) и по внешнему виду напоминающее карусель. Зазоры 3, расположенные в полотне 6 напротив друг друга, соединены между собой двухпроводными фидерами 4, каждый из которых имеет сопротивление 300 Ом, в точках перекрещивания этих двухпроводных фидеров 4 последние соединены друг с другом с образованием точек 10 питания антенны сопротивлением 75 Ом, т.e. происходит уменьшение результирующего сопротивления антенны приблизительно в 4 раза, что хорошо согласуется с фидером в 75 Ом. Внутри полотна 6 вертикально расположен рефлектор 7 (фиг.1). Рефлектор 7 представляет собой цилиндр 8 с радиусом окружности r (фиг.2), боковая поверхность которого составлена из вертикально и параллельно расположенных проводников 9. Проводники 9 расположены друг от друга на расстоянии, меньшем 0,1 λ/2, где λ- минимальная длина волны. Высота Н цилиндра 8 больше λ/2, где λ- максимальная длина волны. Радиус r цилиндра 8 меньше радиуса R полотна 6 на (0,15-0,27)λ, где λ - средняя длина волны.
Работает «карусельная» антенна следующим образом.
ср
мин
Под воздействием ЭДС, приложенной к зазорам 3, в проводниках 2 возникают токи. Благодаря длине проводников 2, равной λ/4, и наличию точек 5 нулевого потенциала все проводники 2 сфазированы с ориентацией вектора электрического поля Е параллельно оси Y. Антенна при этом функционирует как своеобразная фазированная антенная решетка (ФАР), но имеющая четырехстороннюю направленность. Выполнение рефлектора 7 в форме цилиндра 8, боковая поверхность которого составлена из проводников 9, расположенных вертикально и параллельно друг другу и на расстоянии друг от друга, меньшем 0,1 λ/2, не только устраняет излучение от полотна 6 за его пределы в сторону рефлектора 7, но и обеспечивает равномерное излучение вертикально поляризованных волн во всех направлениях в горизонтальной плоскости. Кроме того, выполнение полотна 6 из ромбообразных секций 1 в виде единого замкнутого по окружности и расположение рефлектора 7 внутри полотна 6 также обеспечивают равномерное излучение вертикально поляризованных волн во всех направлениях в горизонтальной плоскости, т.е. круговую диаграмму направленности. Подобное конструктивное выполнение антенны способствует увеличению апертуры антенны, что, в свою очередь, увеличивает коэффициент усиления антенны.
Результаты электронного моделирования полностью подтверждают анализ работы «карусельной» антенны кругового излучения вертикальной поляризации, что видно из диаграмм направленности в горизонтальной плоскости (фиг.3) и вертикальной плоскости (фиг.4). График изменения коэффициента стоячей волны в рабочем диапазоне частот (фиг.5) показывает ширину диапазона использования антенны и в метровом, и в дециметровом диапазонах.
Создан действующий макет заявляемой в качестве изобретения антенны, который при практических испытаниях полностью подтвердил результаты электронного моделирования.