Антенна вертикальной поляризации
VERTICAL POLARIZATION ANTENNA

Изобретение относится к антенно-фидерным устройствам, а именно к антеннам вертикальной поляризации, предназначенным для радиосвязи вдоль поверхности земли.
Известна антенна вертикальной поляризации в виде четвертьволнового штыря, расположенного в центре металлического диска или снабженного противовесом из нескольких четвертьволновых стержней (Д.М. Сазонов. Антенны и устройства СВЧ. Москва, «Высшая школа», 1988 г., стр. 250, рис. 10.5). Максимум диаграммы направленности этой антенны расположены под высокими углами к горизонту, что уменьшает уровень сигнала вдоль поверхности земли.
Недостатком этой антенны является малая широкополосность, не превышающая 10-15% (то же, стр. 251). Прочность горизонтальных или наклонных противовесов вследствие их консольного закрепления невелика, с учетом действия на них весовых и ветровых нагрузок в поперечном направлении.
Металлическая мачта, на вершине которой установлена антенна, соединена гальванически с нижним плечом антенны (диском или противовесом) и находится под высокочастотным напряжением, поэтому по ней текут токи, создающие паразитное излучение и уменьшающие коэффициент усиления антенны в направлении горизонта (А.С. Лавров, Г.Б. Резников. Антенно-фидерные устройства. Москва, «Сов. радио», 1974 г., стр. 123, рис. 6.4).
Некоторое расширение полосы согласования достигается выполнением штыря антенны в виде коаксиальной конструкции. (К.П. Харченко. УКВ антенны, «Радиософт», Москва, 2010 г., стр. 137, рис. 93). Другие отмеченные выше недостатки сохраняются и в данной конструкции.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является антенна с излучателем в виде двух стержней, расположенных параллельно мачте и соединенных с ее вершиной металлической перемычкой, и противовеса в виде стержней, соединенных с мачтой верхними концами, выбранная в качестве прототипа (К.П. Харченко, УКВ антенны, «Радиософт», Москва, 2010 г., стр. 138, рис. 94). Этой антенне также свойственны перечисленные недостатки.
Достигаемый технический результат состоит в увеличении коэффициента усиления в направлении горизонта, расширении рабочего диапазона, увеличении прочности для эксплуатации в тяжелых климатических условиях, уменьшении паразитного влияния металлической мачты.
Результат достигается тем, что в антенне вертикальной поляризации, содержащей металлическую мачту, излучатель в виде двух стержней, установленных на мачте симметрично и параллельной ей и соединенных с ее верхним концом первой металлической перемычкой, длиной много меньшей длины рабочей волны, причем нижние концы стержней соединены между собой второй металлической перемычкой, входной коаксиальный кабель, проложенный по металлической мачте и присоединенный центральным проводником ко второй металлической перемычке, а внешним проводником к металлической мачте с зазором и противовес в виде стержней, два одинаковых стержня противовеса расположены параллельно и симметрично относительно металлической мачты в одной плоскости со стержнями излучателя и соединены с ней в верхней части третьей металлической перемычкой, равной по длине первой металлической перемычке.
Для снижения нежелательного возбуждения металлической мачты против зазора между излучателем и третьей металлической перемычкой в плоскости стержней излучателя и противовеса симметрично зазору и металлической мачте установлены на изоляторах два пассивных элемента в виде стержней, длина которых меньше суммарной длины излучателя и противовеса, а расстояние между ними меньше четверти длины минимальной волны рабочего диапазона, причем длина пассивных элементов и расстояние между ними подбираются по наилучшему согласованию на верхних частотах заданного рабочего диапазона антенны вертикальной поляризации.
На чертеже представлена антенна вертикальной поляризации, вид спереди, где цифрами  обозначено:
1 - металлическая мачта;
2 - излучатель;
3 - первая металлическая перемычка;
4 - стержень;
5 - вторая металлическая перемычка;
6 - входной коаксиальный кабель;
7 - противовес;
8 - третья металлическая перемычка;
9 - изолятор;
10 - пассивный элемент.
Антенна вертикальной поляризации содержит металлическую мачту 1, на верхнем конце которой закреплен излучатель 2 посредством первой металлической перемычки 3. Излучатель 2 состоит из двух стержней 4, расположенных параллельно металлической мачте на расстояниях от нее, много меньших длины рабочей волны. Концы стержней 4 соединены между собой второй металлической перемычкой 5. Входной коаксиальный кабель 6 проложен по металлической мачте 1 и соединен с ней внешним проводником, а его центральный проводник присоединен ко второй металлической перемычке. Между оболочкой фидера и перемычкой 5 в точках питания сделан зазор. Противовес 7 выполнен подобно излучателю 2 и содержит третью металлическую перемычку 8, посредством которой верхние концы стержней 4 присоединены к металлической мачте 1. Длина стержней 4 равна приблизительно  длины волны нижнего края рабочего диапазона. На изоляторах 9 напротив точки подключения входного коаксиального кабеля 6 установлены пассивные элементы 9, расстояние между которыми меньше четверти волны рабочего диапазона частот.
Антенна работает следующим образом. Напряжение, подведенное по входному коаксиальному кабелю 6, возбуждает токи на излучателе 2 и на нижней части антенны, состоящей из мачты 1 и противовеса 7. Ток, протекающий по противовесу 7, много больше тока, протекающего по мачте 1, поскольку стержни противовеса 7 образуют отрезок линии длиной четверть волны, разомкнутый на конце. Его входное сопротивление в точке его присоединения к мачте мало (близко к нулю), поэтому ток в основном идет в противовес 7, а не по мачте. Для токов на мачте 1 образуется запирающий четвертьволновой стакан.
Токи, протекающие по излучателю 2 и противовесу 7, наводят токи в пассивных элементах 10, настроенных в резонанс на верхние частоты рабочего диапазона. Подбором длины пассивных элементов 10 и их расстояния от активных излучателя 2 и противовеса 7 можно в значительных пределах менять полосу согласования антенны. Введение пассивных элементов 10 дополнительно снижает нежелательное возбуждение металлической мачты 1 в диапазоне их действия, т.е. на верхних частотах рабочего диапазона, т.к. они экранированы от мачты 1 излучателем 2 и противовесом 7.
Так как предлагаемая антенна содержит только вертикальные излучающие элементы, максимум ее диаграммы в вертикальной плоскости направлен перпендикулярно металлической мачте 1, т.е. горизонтально. Поперечный размер антенны менее четверти длины волны, поэтому в горизонтальной плоскости ее диаграмма направленности практически круговая.
В конструкции антенны отсутствуют консольно закрепленные горизонтальные или наклонные элементы, поэтому ее прочность выше известных аналогов.
Для дальнейшего увеличения широкополосности полезно включить четвертьволновой трансформатор с повышенным волновым сопротивлением между входным коаксиальным кабелями 6 и точкой питания, например 75-омный трансформатор при 50-омном входном коаксиальном кабеле 6.
Работоспособность и достижение технического эффекта предложенной антенны подтверждаются многими проведенными заявителем экспериментами с макетами в разных частотных диапазонах. Например, антенна общей длиной 1010 мм, установленная на мачте диаметром 18 мм и длиной 3 м, с двумя пассивными элементами длиной 770 мм, расстояние между которыми 210 мм, согласована по КСВ менее 2 в диапазоне от 140 до 184 МГц имеет в этом диапазоне в вертикальной плоскости диаграмму направленности, совпадающую с диаграммой направленности вертикального вибратора, и круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости. Ее коэффициент усиления в этом диапазоне 1,5-1,6.