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 p-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 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 КНД будет низок, так как пассивные вибраторы в этом случае экранируют излучение центрального вибратора.
Однако в секторе углов между директорами возможна частичная компенсация полей, приводящая к неравномерности диаграммы направленности.
Недостатком антенны является отсутствие возможности формировать круговую диаграмму направленности в одной плоскости с повышенным коэффициентом направленного действия.
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 шлейф-вибратора в виде витка проводника, имеющего форму прямоугольника с закругленными углами, длина большей стороны которого составляет около половины длины электромагнитной волны, разомкнутого посередине одной большей стороны и подключенного в точках размыкания к линии питания, и множества пассивных вибраторов-директоров в виде отрезков проводника, имеющих длину меньше длины большой стороны активного шлейф-вибратора, расположенных параллельно им так, что средние точки больших сторон активного и пассивных вибраторов-директоров находятся в одной плоскости, при этом пассивные вибраторы-директоры расположены таким образом, что их средние точки расположены вдоль окружностей, центр которых совпадает с центром активного шлейф-вибратора, на одинаковом вдоль дуги окружности расстоянии от средних точек соседних пассивных вибраторов, а длины пассивных вибраторов-директоров, относящихся к одной окружности, равны, и на каждую окружность приходится не менее трех пассивных вибраторов. По мере увеличения радиуса окружностей, вдоль которых расположены пассивные вибраторы-директоры, то есть по мере удаления пассивных вибраторов-директоров от активного шлейф-вибратора, длины пассивных вибраторов-директоров не изменяются.
Для уменьшения неравномерности ДН в предлагаемой полезной модели директоры размещаются не вдоль радиальных лучей, а по расходящимся окружностям. При этом число директоров на окружностях и их взаимные смещения могут быть различными. За счет увеличения числа директоров на окружности, числа окружностей или поворота директоров одной окружности относительно директоров другой окружности можно частично фокусировать излучения также в промежуточных (относительно радиальных) направлениях. Благодаря этому будет уменьшаться неравномерность ДН в плоскости, перпендикулярной вибраторам, и форма ДН приближается к круговой и это приводит к повышение коэффициента направленного действия антенны при всенаправленности в одной из плоскости в более широкой полосе частот за счет прямоугольной формы активного вибратора с закругленными углами, длина большей стороны которого составляет около половины длины электромагнитной волны, разомкнутого посередине одной большей стороны
На фиг. 1 изображена всенаправленная директорная антенна с активным вибратором в виде шлейф - вибратора Пистолькорса.
Активный вибратор антенны представляет собой шлейф-вибратор Пистолькорса выполненный в виде витка проводника 1, имеющего форму прямоугольника с закругленными углами, длина больших сторон которого составляет около половины длины электромагнитной волны. Одна из больших сторон витка размыкается в своей середине. В точках размыкания 14 и 15 виток проводника подключается к линии питания.
При этом пассивные вибраторы-директоры 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 и 13 располагаются по окружностям, центры которых совпадают друг с другом и с активным вибратором 1. Расстояния между соседними пассивными вибраторами-директорами 2 и 3, 3 и 4, 4 и 5, 5 и 2, расположенными на меньшей окружности равны. Также равны расстояния между пассивными вибраторами-директорами 6 и 7, 7 и 8, 8 и 9, 9 и 10, 10 и 11, 11 и 12, 12 и 13, 13 и 6, расположенными на большей окружности.
Длины директоров 2, 3, 4 и 5 равны друг другу. Также равны длины директоров 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 и 13. При этом длины директоров 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 и 13 равны длинам директоров 2, 3, 4 и 5
Всенаправленная директорная антенна работает следующим образом.
При подключении питания в точках 14, 15 к активному вибратору 1 в нем образуется стоячая волна тока, и активный вибратор начинает излучать электромагнитные волны. Поскольку длина активного вибратора близка к половине длины электромагнитной волны, то максимум излучения ориентирован по нормали к оси активного вибратора.
Электромагнитное поле активного вибратора возбуждает токи в пассивных вибраторах-директорах 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 и 13, приводя в движение имеющиеся в них свободные электроны. Длина пассивных вибраторов-директоров меньше длины активного вибратора, поэтому в них также образуется стоячая волна тока. В результате пассивные вибраторы-директоры создают вторичные электромагнитные волны, максимум интенсивности излучения которых приходится на направление, перпендикулярное к оси вибраторов.
Длина пассивных вибраторов-директоров 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 и 13 меньше длины активного вибратора 1. 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 1 и пассивными вибраторами-директорами 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 соответственно. В плоскости, перпендикулярной пассивным вибраторам-директорам, в направлении от активного вибратора 1 к любому из пассивных вибраторов-директоров, например 2, 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 1 и 2, 1 и 3, 1 и 4 и т.д. В результате все поля будут складываться в фазе. В силу симметрии эта ситуация будет иметь место в направлении любого из пассивных вибраторов-директоров. Однако в секторе углов между пассивными вибраторами-директорами возможна частичная компенсация полей, приводящая к неравномерности диаграммы направленности.
За счет взаимного влияния активного 1 и пассивных вибраторов-директоров 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 и 13 входное сопротивление активного вибратора может оказаться низким, что затруднит его согласование с линией питания. Поскольку диаграмма направленности у шлейф - вибратора такая же, как у активного вибратора в виде отрезка проводника, то директорная антенна с активным вибратором в виде шлейф-вибратора Пистолькорса имеет такую же направленность что и как всенаправленная директорная антенна с активным симметричным полуволновым вибратором.
В плоскости, проходящей через активный вибратор, всенаправленная директорная антенна работает подобно антенне «волновой канал». В направлении, перпендикулярном вибраторам 1 и 2, 1 и 3, 1 и 4 и т.д. первичное и вторичное поля таких пассивных вибраторов складываются в фазе, что приводит к повышению направленности в рассматриваемой плоскости по сравнению с одиночным активным вибратором 1.
Работоспособность предложенной всенаправленной антенны подтверждается результатами компьютерного моделирования этой антенны в программе MMANA-GAL Pro 2.5.5.30:
- фиг. 2 - диаграмма направленности антенны с 4 пассивными вибраторами-директорами (фиг. 2, активный вибратор 1 и пассивные вибраторы-директоры 2, 3, 4, 5) в плоскости, перпендикулярной вибраторам (в плоскости всенаправленности);
- фиг. 3 - диаграмма направленности антенны с 4 пассивными вибраторами-директорами (фиг. 2, активный вибратор 1 и пассивные вибраторы-директоры 2, 3, 4, 5) в плоскости, проходящей через активный вибратор;
- фиг. 4 - диаграмма направленности антенны с 12 пассивными вибраторами-директорами (фиг. 2, активный вибратор 1, пассивные вибраторы-директоры 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13), расположенными по двум окружностям, в плоскости, перпендикулярной вибраторам (в плоскости всенаправленности);
- фиг. 5 - диаграмма направленности антенны с 12 пассивными вибраторами-директорами (фиг. 2, активный вибратор 1, пассивные вибраторы-директоры 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13), 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 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 вибратором.
ЛИТЕРАТУРА
1. Федун И.В. Вибраторная антенна вертикальной поляризации… / Патент UA 88309 С2 от 12.10.2009 г.