Квазишунтовая направленная антенна с резонаторным питанием
QUASI-SHUNT DIRECTIONAL ANTENNA WITH RESONATOR POWER

Предлагаемое изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве направленных антенн для беспроводных сетей, преимущественно диапазона ISM.
Известна направленная антенна вертикальной поляризации (Пат. РФ №18020, опубл. 10.05.2001), содержащая полуволновый вибратор, переходящий у основания в замкнутую четвертьволновую двухпроводную линию, выполненную в виде двух жестко связанных металлических стержней, с введенными двумя диэлектрическими траверсами, которые установлены в средней части полуволнового вибратора перпендикулярно к оси полуволнового вибратора. Параллельно оси полуволнового вибратора с одной стороны в траверсе жестко устанавливается металлический стержень рефлектора, а с другой стороны параллельно оси полуволнового вибратора в траверсе жестко устанавливаются один или несколько металлических стержней директоров. Кроме того, антенна содержит элемент жесткого крепления траверс с вибратором.
Недостатками известной направленной антенны являются использование двух диэлектрических траверс и элемента жесткого крепления траверс с вибратором, усложняющих устройство и производство антенны, снижающих механическую надежность конструкции и ее функциональность.
Наиболее близкой к заявляемому изобретению является направленная антенна вертикальной поляризации с резонаторным питанием (Пат. РФ №2705745, опубл. 11.11.2019). Антенна выполнена в виде двух жестко связанных металлических стержней, содержащая полуволновой вибратор, запитанный с его нижнего окончания через согласующее устройство в виде четвертьволновой открытой линии, замкнутой на нижнем конце. Для обеспечения направленности в антенне вертикально расположены параллельно оси полуволнового вибратора рефлектор и директоры, причем рефлектор и директоры выполнены активными с устройствами шунтового питания и перекрестно подключены соединительными проводниками равной длины к окончаниям полуволнового вибратора.
Недостатками прототипа являются зауженная полоса пропускания и изменение направленности антенны на краях полосы пропускания, повышенная сложность конструкции антенного устройства из-за механической перекрестной коммутации соединительных проводников.
Решаемая изобретением задача заключается в улучшении электрических и эксплуатационных характеристик направленной антенны вертикальной поляризации с резонаторным питанием.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в расширении полосы рабочих частот, повышении коэффициента защитного действия, однозначной направленности антенны в рабочем диапазоне частот, упрощении конструкции антенны.
Для достижения указанного технического результата в квазишунтовой направленной антенне с резонаторным питанием, выполненной в виде двух жестко связанных металлических стержней, содержащей полуволновой вибратор, запитанный с его нижнего окончания через согласующее устройство в виде четвертьволновой открытой линии, замкнутой на нижнем конце, с вертикально расположенными параллельно оси полуволнового вибратора, с активным рефлектором и по меньшей мере одним активным директором, с устройствами шунтового питания, подключенными соединительными проводниками к полуволновому вибратору, соединительные проводники питания рефлектора и директора выполнены в виде однопроводных линий с подключением соединительных проводников к нижнему окончанию полуволнового вибратора и в верхние точки включения питания шунтов рефлектора и директора.
Изобретение позволяет комбинированное использование наведенных токов проводимости, реализуемое применением однопроводного включения шунтов, сопровождаемое упрощение настройки регулирования полосы частот и ширины диаграммы направленности антенны за счет того, что настройка может осуществляться путем изменения угла раскрыва между директорами, при введении второго дополнительного идентичного директора.
Для решения поставленной задачи, с достижением технического результата, заявленная направленная антенна реализуется в виде двух жестко связанных металлических стержней представляющих полуволновой вибратор, запитанный с его нижнего окончания через согласующее устройство в виде четвертьволновой открытой линии, замкнутой на нижнем конце. Параллельно оси полуволнового вибратора, вертикально расположены рефлектор и директор с устройствами шунтового питания. Рефлектор и директор подключены соединительными проводниками к полуволновому вибратору, причем соединительные проводники питания рефлектора и директора выполнены в виде однопроводных линий, с подключением соединительных проводников к нижнему окончанию полуволнового вибратора и в верхние точки включения питания шунтов рефлектора и директора. Таким образом, предлагается реализация своеобразных «квазишунтов», без использования подключения нижних точек питания классических шунтов, но при использовании их протяженности.
В возможном дополнительном варианте выполнения устройства предлагается, чтобы:
- использовался один активный рефлектор и два активных директора, где активный рефлектор и активные директоры, с подключением соединительных проводников к нижнему окончанию полуволнового вибратора и в верхние точки включения питания шунтов рефлектора и идентичных директоров, были симметрично разведены от оси направленности антенны в горизонтальной плоскости с образованием угла раскрыва α между собой.
Новизна в части устройства усматривается в том, что в направленной антенне вертикальной поляризации с резонаторным питанием, рефлектор и директор выполнены активными, с устройствами шунтового питания, но подключены по однопроводным линиям, образуя своеобразные «квазишунты», без использования подключения нижних точек подключения питания шунтов.
Новизна в части устройства усматривается в том, что рефлектор и директор электрически подключены к полуволновому вибратору в его нижней точке, в общей точке питания полуволнового вибратора, рефлектора и директора, только в точке питания полуволнового вибратора антенны при переходе от согласующего устройства в виде четвертьволновой открытой линии, замкнутой на нижнем конце.
Новизна в части устройства усматривается в том, что рефлектор и директор электрически подключены только в верхние точки включения питания шунтов рефлектора и директора от нижних точек полуволнового вибратора, образуя своеобразные «квазишунты» с перекрестным включением.
Новизна в части устройства усматривается в том, что однопроводные линии активации по питанию рефлектора и директора дополнительно к токам проводимости оставляют значимое воздействие наведенных токов, обеспечивая комбинированное питание рефлектора и директора.
Новизна в части устройства усматривается в том, что комбинированное питание обеспечивает более плавное изменение импеданса антенны в рабочем диапазоне как по активной составляющей, так и по реактивной составляющей входного сопротивления антенны.
Новизна в части устройства сопровождается дополнительным эффектом в том, что комбинированное питание обеспечивает повышение коэффициента защитного действия антенны.
Новизна в части устройства усматривается в том, что рефлектор и два идентичных директора, электрически перекрестно подключенные соединительными проводниками к нижнему окончанию полуволнового вибратора таким образом, что директоры могут быть симметрично разведены от оси направленности в горизонтальной плоскости с образованием угла раскрыва α между собой.
Промышленная применимость предлагаемого технического решения усматривается в сравнительной простоте изготовления, достаточно высоких электрических характеристиках, возможности использования в мелкосерийном производстве и для широкого распространения на промышленной основе при высоком конкурентоспособном уровне. В сравнении с известными аналогами и прототипом предлагаемая антенна выгодно отличается повышенной функциональностью, электрическими, эксплуатационными и экономическими характеристиками.
Предлагаемая антенна иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-6.
На фиг. 1 схематично изображена заявляемая антенна, на фиг. 2 - диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскости с основными электрическими характеристиками антенны (фиг. 1), на фиг. 3 - схематичный эскиз антенны в версии с двумя активными директорами, на фиг. 4 диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскости с основными электрическими характеристиками антенны (фиг. 3), на фиг. 5 - сравнительные графики характеристик изменения коэффициента согласования и диаграмм направленностей прототипа, на фиг. 6 - сравнительные графики характеристик изменения коэффициента согласования и диаграмм направленностей заявляемой антенны.
Квазишунтовая направленная антенна с резонаторным питанием (фиг. 1), содержит два жестко связанных металлических стержня 1 и 2. Полуволновой вибратор 3 запитан с его нижнего окончания (точка «а») через согласующее устройство в виде четвертьволновой открытой линии 4, замкнутой на нижнем конце. Параллельно оси 5 полуволнового вибратора 3 вертикально расположен активный рефлектор и по меньшей мере один активный директор 7. Устройство шунтового питания реализуется подключением от полуволнового вибратора 3 (точка «а») соединительными проводниками 10 и 11 для питания рефлектора 6 и директора 7 включением (точки «б» и «в») при выполнении в виде однопроводных линий. Коммутация соединительных проводников 10 и 11 к нижнему окончанию (точка «а») полуволнового вибратора 3 и в верхние точки подключения питания шунтов 8 и 9 в точки «б» и «в» рефлектора 6 и директора 7 образует своеобразные «квазишунты» 8 с точками подключения «б» и «б'» и 9 с точками подключения «в» и «в'», при одноточечном включении.
Диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскости и основные электрические характеристики устройства подтверждают эффективную работу антенны по предлагаемому техническому решению (фиг. 2).
Кроме этого, в версии предлагаемой квазишунтовой направленной антенны с резонаторным питанием для изменения в горизонтальной плоскости диаграммы направленности и регулирования полосы рабочих частот в заявленное устройство может быть введен дополнительный идентичный директор (фиг. 3) с возможностью регулирования разведением директоров по углу раскрыва α в горизонтальной плоскости. В этой антенне два идентичных директора 7 и 12 выполнены активными с устройствами квазишунтового питания и перекрестно подключены соединительными проводниками, соответственно 11 и 13, к окончанию «а» полуволнового вибратора 3, симметрично разведены от оси направленности в горизонтальной плоскости с образованием угла раскрыва α между собой.
Работает антенна (фиг. 1) следующим образом.
Квазишунтовая направленная антенна с резонаторным питанием для излучения и приема радиосигналов в основе содержит полуволновой вибратор 3, запитанный с его нижнего окончания в точке «а» через согласующее устройство в виде четвертьволновой открытой линии 4, замкнутой на нижнем конце и по своему виду напоминает латинскую букву «J». Вследствие этого в различной литературе такую антенную структуру еще называют «J-антенной».
Высокое входное сопротивление полуволнового вибратора с любого конца, при питании с его нижнего окончания известным способом трансформируется к волновому сопротивлению кабеля выбором оптимального расстояния от точек подключения до замкнутого конца линии. Использование в качестве согласующего элемента открытой линии обеспечивает малые потери при большом коэффициенте трансформации. Коэффициент усиления «J-антенны» соизмерим с коэффициентом усиления классического диполя. При размещении в плоскости полуволнового вибратора, параллельно, вдоль оси направленности антенны ряда пассивных вибраторов - рефлектора, расположенного относительно направления излучения за активным вибратором, а также директоров, расположенных перед активным вибратором делает антенное устройство односторонне направленным, что значительно увеличивает коэффициент усиления. Ток, наведенный излучением активного вибратора, в рефлекторе создает напряжение. Для рефлектора, сопротивление которого носит индуктивный характер, за счет его длины большей 0,5λ, напряжение отстает по фазе от напряжения в активном вибраторе на 270°. В результате излучения активного вибратора и рефлектора в направлении рефлектора складывается в противофазе, а в направлении активного вибратора - в фазе, что приводит к усилению излучения в направлении активного вибратора, приблизительно вдвое. Аналогично рефлектору работают директоры, однако из-за емкостного характера их сопротивления (что определяется их меньшей длиной) излучение усиливается в направлении директоров. В свою очередь, излучение рефлектора и директоров возможно не только за счет наведенных токов, а и токами проводимости, что осуществляется в известных классических логопериодических антеннах. При этом, при параллельном гальваническом соединении разрезных вибраторов со своими входными сопротивлениями, их разносят так, чтобы в точках питания антенны, при общем суммировании сопротивлений, ее входное сопротивление соотносилось с волновым сопротивлением кабеля.
В предлагаемом техническом решении гальваническое соединение осуществлено из физической точки снятия питания «а» с нижнего окончания активного полуволнового вибратора 3 подключенными только к верхним участкам шунтов 8, 9 (точки «б» и «в»), то есть перекрестно соединенными проводниками 10 и 11 с подключением к рефлектору 6 и директору 7. Перекрестное подключение означает то, что оно осуществлено не к ближним нижним точкам подключения питания «б'» и «в'» у шунтов 8 и 9, а к дальним от источника питания точкам «б» и «в». Несмотря на то, что, что подключение однопроводное, как бы однополюсное, работа второго проводника компенсируется за счет наведенных токов в рефлекторе 6 и директоре 7 от полуволнового вибратора 3, находящихся на классических расстояниях, соизмеримых с 0,25λ, для подобных антенных элементов. Таким образом в предлагаемом техническом решении, в рефлекторе 6 и директоре 7, осуществляется комбинация наведенных и токов проводимости, поэтому для обеспечения суммирования токов в фазе осуществлено такое перекрестное включение (точки «б» и «в») участков коммутации шунтов 8 и 9, своеобразных «квазишунтов», с одновременной подстройкой их длин, как в классических шунтовых включениях, для согласования по вносимому сопротивлению. При этом, параллельное подсоединение к узлу питания в точку «а» полуволнового вибратора 3 рефлектора 6 и директора 7, проводниками 10 и 11 однопроводных линий, уменьшает влияние сопротивления шунта на общий импеданс антенны. В комплексе, комбинированное питание обеспечивает более плавное изменение импеданса антенны в рабочем диапазоне частот, что наглядно проявляется при сравнительном исследовании диаграмм направленностей прототипа и заявляемого технического решения, по активной и по реактивной составляющей входного сопротивления антенны (фиг. 5, 6).
Такая комбинация обеспечивает изменение распределения токов вдоль рефлектора и директоров относительно классического шунтового включения, с компенсацией второго проводника наведенными токами, влекущая изменение электрических характеристик антенны.
Непредвиденным эффектом проявилось то, что комбинированное питание обеспечивает повышение коэффициента защитного действия антенны (фиг. 5, 6).
Сравнительные характеристики изменения коэффициентов согласования и изменений диаграмм направленностей прототипа (фиг. 5), то есть направленной антенны вертикальной поляризации с резонаторным питанием, и предлагаемой квазишунтовой направленной антенной с резонаторным питанием (фиг. 6) в исследованной полосе частот наглядно подтверждают расширение полосы рабочих частот в 1,5 раза и односторонность диаграмм направленностей в рабочем диапазоне.
Дополнительно к этому, в версии квазишунтовой направленной антенны с резонаторным питанием для изменения в горизонтальной плоскости диаграммы направленности и регулирования ширины полосы рабочих частот (фиг. 3) в заявленное устройство введен идентичный дополнительный директор 12, подключенный соединительным проводником 13 к окончанию «а» полуволнового вибратора 3, с разведением симметрично от оси направленности в горизонтальной плоскости с образованием угла раскрыва а между собой. Работа антенны в версии с дополнительным директором с симметричным разносом не отличается от классического использования подобных технических решений широко описанных в технической литературе.
Результаты компьютерного моделирования конструкции, отображенные в графических материалах на фиг. 2, 4, 5 и 6 полностью подтверждают теоретические предпосылки при разработке технического решения направленной антенны вертикальной поляризации с резонаторным питанием. За счет однопроводного перекрестного подключения питания к «квазишунтам», то есть использования комбинации гальванического подключения с компенсацией второго проводника наведенными токами улучшились электрические характеристик антенны, с некоторым снижением используемых для изготовления материалов и упрощением конструкции.
Были организованы испытания заявленной антенны, результаты которых полностью подтвердили данные компьютерного моделирования.