Направленная антенна вертикальной поляризации

Полезная модель относится к антенно-фидерным устройствам для применения в качестве приемных и передающих антенн с вертикальной поляризацией электрического поля и может быть использована в антенных устройствах дистанционного управления и передачи телеметрии, беспроводных устройствах связи и телеуправления, сигнализации, передачи данных и в других телекоммуникационных системах. Наиболее эффективно антенна может быть использована в системах диапазона ISC (Industrial, Scientific, Medical).
Известны технические решения УКВ-антенн вертикальной поляризации с повышенным коэффициентом усиления, в том числе с J-согласованием, Super-J, (www.diagram.com.ua/list/antenns/antenns99.shtml), содержащих два полуволновых вибратора, с добавлением рефлектора и директора, размещенных коллинеарно в вертикальной плоскости и подключенных к свободному концу двухпроводной, четвертьволновой, замкнутой на конце линии.
Основным недостатком известной антенны является необходимость использования диэлектрической мачты для ее эксплуатации и увеличенные в два раза размеры устройства в вертикальной плоскости.
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 и две диэлектрические траверсы, которые установлены в средней части полуволнового вибратора перпендикулярно к оси полуволнового вибратора. Параллельно оси полуволнового вибратора с одной стороны в траверсе жестко установлен металлический стержень рефлектора, а с другой стороны параллельно оси полуволнового вибратора в траверсе жестко установлен один или несколько металлических стержней директоров. Узел подключения питания закрывает защитный диэлектрический колпак.
Недостатком известной антенны является необходимость использования диэлектрических траверс, снижающих надежность конструкции и диэлектрического колпака, усложняющих технологичность изготовления антенного устройства.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является направленная УКВ антенна, на базе штыревой антенны АШ-433, АН5-433, имеющая прочную цельнометаллическую конструкцию, устойчивую к воздействиям внешней среды (http://www.geolink.ru/pdf/geolink/an5-433.pdf), (http://www.geolink.ru/pdf/geolink/ah-433.pdf). Антенна-прототип содержит полуволновый вибратор, переходящий у основания в замкнутую четвертьволновую двухпроводную линию, выполненную в виде двух жестко связанных металлических стержней и съемную конструкцию в виде траверс закрепленных в средней части перпендикулярно к оси полуволнового вибратора с линейными вибраторными переизлучателями в виде диполей. Параллельно оси, на одной из траверс жестко установлен металлический рефлектор, на другой жестко установлен один или несколько металлических директоров.
Недостатком известной направленной антенны является установка съемной конструкции с линейными пассивными шунтирующими переизлучателями на полуволновой вибратор настроенной ненаправленной резонансной антенны, значительно изменяющей входные параметры антенны.
Задачей настоящей полезной модели является устранение указанного недостатка прототипа и создание антенны со съемной конструкцией пассивных переизлучателей направленности, при уменьшенном влияния на активный вибратор, используемый для автономного использования.
Техническим результатом, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, является реализация антенны со съемной переизлучающей конструкцией пассивных вибраторов формирования направленности, выполненных из рамочных элементов, с уменьшенным влиянием на импеданс антенны.
Техническое решение обеспечивается тем, что антенна содержит полуволновый вибратор, переходящий у основания в замкнутую четвертьволновую двухпроводную линию, выполненную в виде двух жестко связанных металлических стержней. Съемная переизлучающая конструкция, крепится в средней части перпендикулярно к оси полуволнового вибратора. Параллельно оси в съемной конструкции жестко установлен металлический рефлектор и жестко установлен один или несколько металлических директоров. Рефлектор выполнен в виде плоской замкнутой рамки установленной на траверсах-распорках в плоскости параллельно оси полуволнового вибратора. Переизлучающая структура директоров выполнена в виде симметричного зигзагообразного полотна из двух ромбовидных плеч, расположенных в вертикальных плоскостях с центром в средней части на оси полуволнового вибратора с осью симметрии, перпендикулярной плоскости рефлектора.
Металлический рефлектор с креплением в средних частях вертикальных сторон периметра рамки рефлектора может быть установлен на металлических траверсах-распорках к внешним углам ромбовидных плеч, с гальваническим соединением их внутренних углов к полуволновому вибратору с креплением в средней части. Рефлектор антенны может быть выполнен в виде квадратной рамки с длинами сторон, равными 0,27λ, и установлен на расстоянии от оси полуволнового вибратора, равном 0,2λ, где λ - длина волны на рабочей частоте, а структура директоров выполнена с длинами сторон ромбовидных плеч, равными 0,24λ, расположенными в одной вертикальной плоскости.
Рефлектор антенны может быть выполнен в виде квадратной рамки с длинами сторон, равными 0,27λ, и установлен на расстоянии от оси полуволнового вибратора, равном 0,2λ, где λ - длина волны на рабочей частоте, а структура директоров выполнена с длинами сторон ромбовидных плеч, равными 0,24λ, расположенных в вертикальных плоскостях под углом 90 градусов друг к другу с биссектрисой перпендикулярной плоскости рефлектора.
Рефлектор антенны может быть выполнен в виде квадратной рамки с длинами сторон, равными 0,27λ, и установлен на расстоянии от оси полуволнового вибратора, равном 0,2λ, где λ - длина волны на рабочей частоте, а структура директоров выполнена с длинами сторон ромбовидных плеч, равными 0,24λ, расположенных первыми половинами плеч в вертикальных плоскостях под углом 90 градусов друг к другу с биссектрисой перпендикулярной плоскости рефлектора, а вторыми половинами в вертикальной плоскости, параллельной рефлектору.
Новизна в части устройства полезной модели усматривается в том, что в качестве переизлучателей в техническом решении предложены рамочные элементы с импедансом в два-три раза большем импеданса линейных диполей.
Новизна в части устройства полезной модели усматривается в том, что в предложенной комбинации переизлучателей рефлектор выполнен в виде плоской замкнутой квадратной рамки, а директоры выполнены в виде ромбовидных элементов, расположенных в вертикальных плоскостях, параллельных оси полуволнового вибратора.
Новизна в части устройства полезной модели усматривается в том, что в предложенной комбинации переизлучателей металлический рефлектор с креплением в средних частях вертикальных сторон периметра рамки рефлектора установлен на металлических траверсах к внешним углам ромбовидных плеч с гальваническим соединением их внутренних углов к полуволновому вибратору.
Новизна в части устройства полезной модели усматривается в том, что директоры могут быть выполнены в виде ромбовидных элементов, расположенных в вертикальных плоскостях под углом 90 градусов друг к другу с биссектрисой перпендикулярной плоскости рефлектора.
Новизна в части устройства по полезной модели усматривается в том, что структура директоров может быть выполнена с длинами сторон ромбовидных плеч, равными 0,24λ, расположенных первыми половинами плеч в вертикальных плоскостях под углом 90 градусов друг к другу с биссектрисой перпендикулярной плоскости рефлектора, а вторыми половинами в вертикальной плоскости, параллельной рефлектору.
Благодаря перечисленной совокупности существенных признаков обеспечивается реализация направленности в резонансной настроенной ненаправленной антенне вертикальной поляризации без существенного изменения ее согласовании с фидером при изменении режимов использования.
Промышленная применимость заявленного технического решения усматривается, при реализации с дополнением конструкций штыревых антенн съемной переизлучающей конструкцией рамочных элементов, которая крепится в средней части полуволнового вибратора, без последующей настройки. Устройство характеризуется сравнительной простотой изготовления, тиражирования и эксплуатации при высоких электрических показателях и возможности универсального использования на промышленной основе, конкурентоспособном уровне и перспективой версий дальнейшего развития.
Предлагаемая направленная антенна вертикальной поляризации иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-4.
На фиг. 1 приведен эскиз направленной антенны вертикальной поляризации с директорами, расположенными в одной вертикальной плоскости, на фиг.2 -диаграммы направленности антенны в горизонтальной и вертикальной плоскости с основными параметрами, на фиг. 3 - эскиз направленной антенны вертикальной поляризации с директорами, расположенными в вертикальных плоскостях под углом 90 градусов друг к другу с биссектрисой перпендикулярной плоскости рефлектора, на фиг. 4 - эскиз направленной антенны вертикальной поляризации с директорами, расположенными первыми половинами плеч в вертикальных плоскостях под углом 90 градусов друг к другу с биссектрисой перпендикулярной плоскости рефлектора, а вторыми половинами в вертикальной плоскости, параллельной рефлектору.
Антенна вертикальной поляризации содержит полуволновый вибратор 1, переходящий у основания в замкнутую четвертьволновую двухпроводную линию 2, выполненную в виде двух жестко связанных металлических стержней. Съемная переизлучающая конструкция 3, крепится в средней части (точка О) перпендикулярно к оси 4 полуволнового вибратора 1. Параллельно оси 4 в съемной конструкции 3 жестко установлен металлический рефлектор 5 и жестко установлен один или несколько металлических директоров 6. Рефлектор 5 выполнен в виде плоской замкнутой рамки, установленной на траверсах-распорках 7 в плоскости 8 параллельно оси 4 полуволнового вибратора 1. Переизлучающая структура директоров выполнена в виде симметричного зигзагообразного полотна из двух ромбовидных плеч 9,10, расположенных в вертикальных плоскостях 11, 12 с центром (о) в средней части на оси 4 полуволнового вибратора 1 с осью симметрии 13, перпендикулярной плоскости рефлектора 5.
Металлический рефлектор 5 с креплением в средних частях вертикальных сторон периметра рамки рефлектора может быть установлен на металлических траверсах-распорках 7 к внешним углам ромбовидных плеч с гальваническим соединением их внутренних углов к полуволновому вибратору с креплением в средней части (о). Рефлектор 5 антенны может быть выполнен в виде квадратной рамки с длинами сторон, равными 0,27λ, и установлен на расстоянии от оси 4 полуволнового вибратора 1, равном 0,2λ, где λ - длина волны на рабочей частоте, а структура директоров 6 выполнена с длинами сторон ромбовидных плеч, равными 0,24λ, расположенными в одной вертикальной плоскости из двух полуплоскостей 11, 12, параллельной плоскости 8. Рефлектор 5 антенны может быть выполнен в виде квадратной рамки с длинами сторонам, равными 0,27λ, и установлен на расстоянии от оси 4 полуволнового вибратора 1, равном 0,2λ, где λ - длина волны на рабочей частоте, а структура директоров 6 выполнена с длинами сторон ромбовидных плеч, равными 0,24λ, расположенных в вертикальных плоскостях 10, 11 под углом (α) 90 градусов друг к другу с биссектрисой 14 перпендикулярной плоскости рефлектора 5.
Рефлектор 5 антенны может быть выполнен в виде квадратной рамки с длинами сторонам, равными 0,27λ, и установлен на расстоянии от оси полуволнового вибратора, равном 0,2λ, где λ - длина волны на рабочей частоте, а структура директоров 6 выполнена с длинами сторон ромбовидных плеч, равными 0,24λ, расположенных первыми половинами плеч 15, 16 в вертикальных плоскостях под углом (α) 90 градусов друг к другу с биссектрисой 14 перпендикулярной плоскости рефлектора 5, а вторыми половинами 17, 18 в вертикальной плоскости 19, параллельной рефлектору.
Антенна вертикальной поляризации работает следующим образом. Изначальная работа настроенных штыревых антенн с J-согласованием и настроенных модернизированных антенн с J-согласованием с директорными насадками типа «волновой канал» общеизвестна и широко описана в технической литературе. В свою очередь, при оперативном превращении ненаправленных настроенных антенн с J-согласованием в направленные, путем введения насадки в виде директорной структуры, с проявлением односторонней направленности и повышения коэффициента усиления, приводит, при шунтировании добавленными линейными вибраторами, к изменению импеданса и увеличению коэффициента стоячих волн. Это при использовании таких конструкций в качестве приемных антенн незначительно сказывается на работе радиолиний. Однако увеличенный коэффициент стоячих волн при работе таких антенн резко снижает эффективность при использовании их в качестве передающих антенн. Для универсализации использования настроенных антенн с J-согласованием необходимо при добавлении структуры переизлучателей сохранять коэффициент стоячих волн не более 1,5. Для этого в предлагаемом устройстве по эскизу на рис. 1 рефлектор 5 выполнен в виде плоской замкнутой рамки, переизлучающего элемента с более высоким сопротивлением, установленной в плоскости 8 параллельно плоскостям 11, 12, проходящим через ось 4 полуволнового вибратора 1. Дополнительно к этому и в качестве директорной структуры использовано зигзагообразное полотно из двух ромбовидных плеч 9, 10, расположенных в вертикальных плоскостях 11, 12 с центром (о) в средней части на оси 4 полуволнового вибратора 1 с осью симметрии 13, перпендикулярной плоскости рефлектора 5 с теми же характеристиками. Ввиду того, что ромбовидные плечи можно представить в виде разнесенных в плоскостях 11, 12, эквивалентных линейных вибраторов, на некотором расстоянии от полуволнового вибратора 1, то увеличилась площадь адсорбции антенны. В свою очередь, из-за их расположения в одной плоскости с полуволновым вибратором, без увеличения продольных размеров антенного устройства, как у классических директорных структур, это влияние компенсировалось, с сохранением соизмеримого коэффициента усиления, но при меньшем влиянии на изменение коэффициента стоячих волн. Таким образом, введение предложенной съемной переизлучающей конструкции 3 обеспечило новое качество, позволяющее универсальное использование настроенных антенн с J-согласованием.
Виду того, что внешние углы, как и внутренние углы ромбовидных плеч 9, 10, а также средние части вертикальных сторон периметра рамки рефлектора 5 имеют нулевые потенциалы, то металлический рефлектор 5 с креплением в средних частях вертикальных сторон периметра рамки рефлектора может быть установлен на металлических траверсах-распорках 7 к внешним углам ромбовидных плеч 9, 10 с гальваническим соединением их внутренних углов к полуволновому вибратору с креплением в средней части (о). Это позволяет изготавливать всю съемную переизлучающую конструкцию 3 из однородного металлического материала, что и металлические стержни штыревой антенны и не снижать механическую надежность всего антенного устройства.
На фиг. 3 показан эскиз с измененной структурой директоров 6 выполненной с длинами сторон ромбовидных плеч равными 0,24λ, расположенными в вертикальных плоскостях 10, 11 под углом (α) 90 градусов друг к другу с биссектрисой 14 перпендикулярной плоскости рефлектора 5. За счет использования угловой, а не плоской структуры директоров 6, в отличие от использования таких конструкций в качестве рефлекторов, здесь увеличиваются продольные размеры антенного устройства, что должно повлечь увеличение коэффициента усиления, но уменьшение площади адсорбции сохраняет соизмеримым коэффициент усиления измененной антенны с предыдущей антенной. В свою очередь форма съемной переизлучающей конструкции 3 с предназначением повышенной ветроустойчивости, обеспечивает с разных углов равные физические нагрузки.
На фиг. 3 показан эскиз с измененной структурой директоров 6 выполненной с длинами сторон ромбовидных плеч равными 0,24λ, расположенных первыми половинами плеч 15, 16 в вертикальных плоскостях под углом (α) 90 градусов друг к другу с биссектрисой 14 перпендикулярной плоскости рефлектора 5, а вторыми половинами 17, 18 в вертикальной плоскости 19, параллельной рефлектору. То есть, с «ломаными» плечами, что может быть использовано при создании стеков с расположением в ряды, для оптимальной компоновки, при этом основные электрические характеристики и промежуточной версии соизмеримы с изначально рассмотренной антенной вертикальной поляризации.
Компьютерная модель направленной антенны вертикальной поляризации, была проверена в ходе электронного моделирования в программе MMANA на частоте 434 МГц, используемой в системах диапазона ISC. Результаты компьютерного моделирования, показаны на фиг. 2. По результатам компьютерного моделирования создан опытный образец, исследование электрических характеристик которого подтвердили теоретические предпосылки и данные компьютерного моделирования.