Антенна круговой направленности
CIRCULAR ANTENNA

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области радиотехники, в частности, к антенне круговой направленности и может быть использовано в антенно-фидерных устройствах для базовой радиостанции, а именно для базовой, операторской, диспетчерской антенны, стационарной и для построения ретрансляторов (репитеров) среднего радиуса действия, для работы в составе приемопередающих систем, работающих на частотах 425-445 МГц.
Уровень техники
Известно устройство передачи для беспроводной телеграфии, в котором одна или несколько антенн, настроенных на основную частоту или частоту гармоники, подключаются однопольно к точке пучности напряжения колебательного контура радиочастотного генератора, известным образом связанным с аналогичным резонансным контуром, при этом устройство состоит из колебательного контура высокочастотного генератора О, к которому подключен еще один такой же резонансный контур Z, связанных одним из известных из используемых для связи способом (индуктивной, емкостной, гальванической связью), причем в точке пучности напряжения промежуточного контура Z подключается антенна, которая поглощает (абсорбирует) энергию из промежуточного контура и излучает ее, если собственные колебания антенны или ее гармонические совпадают с частотой промежуточного контура Z и высокочастотного генератора О, при этом антенна возбуждается чисто напряжением, причем описанная выше антенна не имеет противовеса или заземления (см. пат. Австрии №110357, класс 21 а, «Устройство передачи для беспроводной телеграфии», опубл. 10.08.1928 г.).
Недостатком данного устройства является сложность настройки антенны в нужном диапазоне частот при изготовлении.
Известна логопериодическая резонансная антенна, состоящая из линейной решетки щелевых излучателей, вырезанных в стенках резонаторов, при этом каждый резонатор выполнен в виде усеченного конуса с секторным вырезом с углом, кромки выреза связаны с плоскими металлическими поверхностями, усеченные конусы выполнены из полного конуса, ось которого совмещена с общей кромкой поверхностей, а резонаторы возбуждаются питающей линией, к которой через трубчатые проводники подключены возбудители (см. пат. RU №2096871, МПК H01Q 11/10, опубл. 20.11.1997 г.).
Недостатками данной логопериодической резонансной антенны является невысокий коэффициент усиления.
Известна передающая антенна, содержащая излучатели, закрепленные на несущем экране-отражателе, усилители мощности, возбудитель-формирователь помехового сигнала, при этом экран-отражатель выполнен в виде цилиндрической трубы с закрепленными на ее поверхности в одной плоскости, перпендикулярной оси цилиндрической трубы, излучателями на равном расстоянии от оси цилиндрической трубы, обеспечивающими возможность формирования круговой диаграммы направленности излучения при подаче одновременно на все излучатели помеховых сигналов с одинаковой начальной фазой колебания несущей частоты и формирование направленного по положению в азимутальной плоскости сектора излучения при подаче на излучатели помеховых сигналов с заданными соотношениями назначенных начальными напряжений и фаз несущей частоты, усилители мощности соединены с блоком коммутации задержки сигналов, в котором: первая цифровая линия задержки на быстродействующих СВЧ ключах на выходе соединена с первым входом усилителя мощности, а на входе соединена с выходом возбудителя - формирователя помехового сигнала; вторая цифровая линия задержки на быстродействующих СВЧ ключах на выходе соединена со вторым входом усилителя мощности, а на входе соединена с выходом возбудителя - формирователя помехового сигнала; третья цифровая линия задержки на быстродействующих СВЧ ключах на выходе соединена с третьим входом усилителя мощности, а на входе соединена с выходом возбудителя - формирователя помехового сигнала; четвертая цифровая линия задержки на быстродействующих СВЧ ключах на выходе соединена с четвертым входом усилителя мощности, а на входе соединена с выходом возбудителя - формирователя помехового сигнала (см. пат. RU №2532724, МПК H01Q 3/00, опубл. 10.11.2014 г., бюл. №31).
Недостатками данной передающей антенны является сложность конструкции, невысокая надежность работы.
Известна щелевая цилиндрическая антенна, содержащая проводящий цилиндрический корпус с продольной щелью с первой и второй кромками и фидер, при этом она, дополнительно содержит первый проводящий хомут, второй проводящий хомут и согласующий отрезок кабеля, причем первый хомут расположен с образованием гальванического контакта на первой кромке щели, второй хомут расположен с образованием гальванического контакта на втрой кромке щели, фидер на поверхности цилиндра проложен вдоль прямой линии, диаметрально противоположной продольной оси щели, с загибом в окрестности точки возбуждения щели, проложен через первый хомут с образованием внешним проводником фидера гальванического контакта с первым хомутом, согласующий отрезок кабеля проложен через второй хомут, центральный проводник фидера гальванически соединен с центральным проводником согласующего отрезка кабеля (см. пат. RU №2574172, МПК H01Q 13/12, опубл. 10.02.2016 г., бюл. №4).
Недостатками данной щелевой цилиндрической антенны является то, что антенна имеет большой в длинах волн в свободном пространстве продольный размер, что затрудняет ее в качестве излучающего элемента антенной решетки, формирующей диаграмму направленности специального вида в плоскости вектора Н.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому положительному эффекту и принятая автором за прототип является антенна круговой направленности, содержащая цилиндрический корпус с крышкой, основание, высокочастотный разъем, втулку, центральный проводник, установленный в высокочастотном разъеме, металлический стержень, резонансный контур, катушку индуктивности и кронштейн, при этом к резьбовому соединению металлического стержня, подсоединен штекер с кабелем от приемо-передающего устройства (см. Кочержевский Г.Н. Антенно-фидерные устройства / Г. Н. Кочержевский. - М.: Радио и связь, 1981/).
Недостатком данного устройства является сложность настройки антенны в нужном диапазоне частот при изготовлении.
Раскрытие изобретения
Задачей предлагаемого изобретения является разработка антенны круговой направленности, обладающей упрощением конструкции и настройки антенны в нужном диапазоне частот при изготовлении, уменьшением парусности и улучшением стабильности основных параметров.
Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого изобретения, сводится к упрощению конструкции и настройки антенны в нужном диапазоне частот при изготовлении, уменьшению парусности и улучшению стабильности основных параметров.
Технический результат достигается с помощью антенны круговой направленности, содержащей цилиндрический корпус с крышкой, основание, высокочастотный разъем, втулку, центральный проводник, установленный в высокочастотном разъеме, металлический стержень, резонансный контур, катушку индуктивности и кронштейн для закрепления к несущей поверхности, при этом к резьбовому соединению металлического стержня, подсоединен штекер с кабелем от приемо-передающего устройства, при этом она дополнительно снабжена двумя пружинящими металлическими пластинами, регулировочным винтом и изолятором, причем на втулке закреплены воедино основание, высокочастотный разъем, первая металлическая пружинящая пластина и кронштейн, а металлический стержень в нижней части, завит в катушку индуктивности и закреплен к центральному проводнику, при этом вторая металлическая пружинящая пластина подсоединена к металлическому стержню в нижней части, причем резонансный контур, состоящий из дополнительно установленных первой и второй металлических пружинящих пластин и катушки индуктивности, образуют совместно переменную емкость, с возможностью подстраивания регулировочным винтом, который установлен в верхней части, в цилиндрическом корпусе с наружной стороны с возможностью касания внутри первой металлической пружинящей пластины, с последующей обрезкой с наружной стороны, при этом изолятор установлен в средней части внутри корпуса.
Краткое описание чертежей и иных материалов
На фиг. 1 дана антенна круговой направленности, общий вид в разрезе;
На фиг. 2, то же, показания опытного образца, KCB в рабочем диапазоне частот;
На фиг. 3, то же, показания опытного образца, усиление антенны dBi, в полосе 20 МГц;
На фиг. 4, то же, входное сопротивление, Ом.
На фиг. 5, то же, результаты испытаний антенны круговой направленности, таблица.
Осуществление изобретения
Антенна круговой направленности, состоит из цилиндрического корпуса 1, основания 2, выполненного из прочного диэлектрического материала, высокочастотного разъема 3, например, типа UHF, втулки 4, например, алюминиевой, центрального проводника 5, установленном в высокочастотном разъеме 3, при этом к центральному проводнику 5 закреплен металлический стержень 6, а к резьбовому соединению последнего подведен штекер (на фиг. не показан) с кабелем (на фиг. не показан) от приемо-передающего устройства (на фиг. не показано), также антенна состоит из регулировочного винта 7, резонансного контура, состоящего из дополнительно установленных первой и второй металлических пружинящих пластин 8 и 9, соответственно, катушки индуктивности 10, изолятора 11, крышки 12 цилиндрического корпуса 1 и металлического кронштейна 13, при этом цилиндрический корпус 1, выполнен из атмосферостойкого материала, который жестко установлен в основание 2, выполненного из прочного диэлектрического материала, например, капролона, с возможностью несения на себе нагрузки антенны в сборе, и защиты ее важнейших узлов от атмосферных явлений, например, ветра, осадков, обледенения, ультрафиолета и т.д., высокочастотный разъем 3, используют, например, марки UHF, втулка 4, выполненная алюминиевой, на которой закреплены воедино основание 2, высокочастотный разъем 3, первая металлическая пружинящая пластина 8 и металлический кронштейн 13, при этом к центральному проводнику 5 закреплен металлический стержень 6, путем припаивания, а к металлическому стержню 6 в нижней части подсоединена вторая металлическая пружинящая пластина 9, при этом к резьбовому соединению стержня 6 подведен штекер с кабелем от приемо-передающего устройства, причем резонансный контур, состоит из дополнительно установленных пер вой и второй металлических пружинящих пластин 8 и 9, образующих совместно переменную емкость, который подстраивают регулировочным винтом 7, установленном в верхней части, в цилиндрическом корпусе 1 с наружной стороны с возможностью касания внутри первой металлической пружинящей пластины 8 и катушки 10 индуктивности, выполненной из завитого в нижней части металлического стержня 6 в катушку 10 индуктивности, при этом изолятор 11, выполнен из диэлектрического материала и установлен в средней внутренней части цилиндрического корпуса 1, с возможностью прямолинейного расположения металлического стержня 6, крышка 12 установлена герметично в верхней части цилиндрического корпуса 1, а металлический кронштейн 13 жестко установлен к несущей поверхности, для закрепления антенны круговой направленности.
Антенну круговой направленности эксплуатируют следующим образом.
Производят полную сборку антенны круговой направленности, берут цилиндрический корпус 1, выполненный из атмосферостойкого материала и жестко устанавливают в основание 2, например, путем вклеивания, при этом основание 2 выполнено из прочного диэлектрического материала, например, капролона, с возможностью несения на себе нагрузки антенны в сборе, и защиты ее важнейших узлов от атмосферных явлений, например, ветра, осадков, обледенения, ультрафиолета и т.д., высокочастотный разъем 3, используют, например, марки UHF, при этом на втулке 4, выполненной, алюминиевой, закрепляют воедино основание 2, высокочастотный разъем 3, марки UHF, первую металлическую пружинящую пластину 8 и металлический кронштейн 13, к центральному проводнику 5 закрепляют металлический стержень 6, путем припаивания, а к резьбовому соединению последнего подводят штекер с кабелем от приемо-передающего устройства, при этом резонансный контур, состоящий из дополнительно установленных первой и второй металлических пружинящих пластин 8 и 9, образующих совместно переменную емкость и катушки 10 индуктивности, подстраивают регулировочным винтом 7, при этом изолятор 11, выполненный из диэлектрического материала устанавливают во внутренней средней части цилиндрического корпуса 1, с возможностью исключения перемещения металлического стержня 6, крышку 12 в цилиндрическом корпусе 1 устанавливают в верхней части, герметично, а с помощью металлического кронштейна 13 жестко закрепляют антенну круговой направленности, к несущей поверхности, причем на заключительном этапе сборки антенны проводят подстройку регулировочным винтом 7 резонансного контура, состоящего из первой и второй металлических пружинящих пластин 8 и 9, образующих совместно переменную емкость и катушкой 10 индуктивности 10, так как при малейшем физическом воздействии, например, в процессе сборки, на детали резонансного контура, воздействия приводят к изменению индуктивности и переменной емкости резонансного контура, что в свою очередь приведет к смещению резонансной частоты антенны круговой направленности и, как следствие, к отклонению от теоретически просчитанных и заявленных характеристик, что, в свою очередь, приведет к уменьшению радиуса, нестабильной работе приемо-передающих устройств и выходу из строя, а так же на расчетные характеристики антенны влияют множество факторов, например, неравномерность сечения стержня; неоднородность материалов стержня, втулки, диэлектриков; погрешность в диаметре, длине и количестве витков индуктивности и так далее, но все эти погрешности регулируют окончательной настройкой резонансного контура, затем после полной сборки и просушки клеев конструктивных элементов, антенну подсоединяют к KCB - метру, прибору, измеряющему величину коэффициента стоячей волны (KCB) и выводят регулировочным винтом 7 показания KCB - метра и импеданса на требуемые показания, после чего обрезают регулировочный винт 7 и наглухо запаивают его, далее записывают показания в журнал поверки и переносят их в паспорт изделия, таким образом, получают антенну круговой направленности точно соответствующую заявленным характеристикам, при этом KCB - это отношение наибольшего значения амплитуды напряженности электрического или магнитного поля стоячей волны в линии передачи к наименьшему, KCB тем лучше, чем ближе к единице. KCB определяется качеством согласования нагрузки, например, антенны с линией передачи (фидером), при этом KCB в линии передачи не зависит от внутреннего сопротивления источника электромагнитной волны - генератора (на фиг. не показан) и в случае линейной нагрузки от мощности генератора. Значение KCB в однородной линии передачи без потерь постоянно по всей длине линии передачи и не зависит от ее длины. KCB влияет на: КПД системы «линия передачи - нагрузка»; максимальное значение передаваемой по линии мощности; режим работы генератора.
Изготовлен и опробован опытный образец антенны круговой направленности по предлагаемому изобретению, в составе приемо-передающих систем, работающих на частотах 425-445 МГц с использованием принципа питания полуволнового излучателя с одного из его концов, имеющих как известно, достаточно высокое входное сопротивление, сопоставимое с высоким характеристическим сопротивлением параллельного колебательного контура (на фиг. не обозначен) (см. фиг. 2, 3, 4, 5).
Целью испытания является: оценка работоспособности антенны круговой направленности, в составе приемо-передающих систем, работающих на частотах 425-445 МГц, кабельная сборка (соединительный антенный кабель) N - type (М) /SMA, 5 м, кабель RG58.
Программа испытаний: проверка работоспособности радиомодема СЕ 831С1.03, который настроен на рабочую частоту 434.000 МГц совместно с антенной круговой направленности по предлагаемому изобретению 433-435 МГц. Сравнительный анализ работы радиомодема СЕ 831С1.03 проводят в сравнении с антенной «Полярис», выпускаемыми фирмой ООО «Бестер» г. Воронеж и «Полярис 450-6», 433-435МГц г. Екатеринбург.
Оборудование, используемое при проведении испытаний: Ноутбук с установленными технологическими ПО Modem Tools v.1. 4а, радиомодем СЕ 831С1.03 (заводской номер 2013 №010802071000283), антенна круговой направленности по предлагаемому изобретению 433-435 МГц с кабельной сборкой.
В помещении офиса установлен стенд с четырьмя счетчиками: СЕ 208 С 2 849 JPRQZ (мас адрес: 371130124547),: СЕ 208 С 2 849 JPRQZ (мас адрес: 371130123617), СЕ 303 S34 745 - JR1Q2VZ (мас адрес: 040227), СЕ 303 S34 745 - JR1Q2VZ (мас адрес: 49997), СЕ 308 С36 746 OPR1.QYVF RP03 (мас адрес: 100134).
Условия проведения испытаний. Погодные условия: безоблачно, температура около +10 градусов, стенд со счетчиками установлен у окна в офисе, высота над уровнем земли около 15 м.
- в офисе установлен стенд с четырьмя счетчиками, как указано выше;
- на площадке, расстояние до стенда около 40 м;
- на площадке, расстояние до стенда около 150 м;
- на площадке, расстояние до стенда около 320 м;
- на площадке, расстояние до стенда около 520 м, прямая видимость;
- на площадке, расстояние до стенда около 600 м, естественные помехи - деревья без листвы.
Дата и время проведения испытаний: 25.10.2017 года с 14.15 до 17.00 часов.
Радиомодем СЕ831С1.03 заводской номер: 2013 №010802071000283, рабочая частота 434.000 МГц, скорость 115200 бод. (см. фиг. 5, таблица).
Испытание опытного образца показало следующие технические и механические характеристики в условиях эксплуатации: повышенной влажности воздуха 93% и температуре не выше +60°C; воздействии атмосферных конденсированных осадков (инея и росы); воздействии выпадаемых атмосферных осадков (дождя, снега); воздействии пыли.
Технические характеристики антенны круговой направленности:
Рабочий диапазон частот, МГц
425-445
Усиление антенны dBi, в полосе 20 МГц
6,5
Поляризация
вертикальная
KCB в рабочем диапазоне частот, не более
1,5
Входное сопротивление, Ом
50
Максимально допустимая мощность, Вт
100
Механические характеристики антенны круговой направленности:
На фиг. 2 дано KCB в рабочем диапазоне частот, не более 1,5; на фиг. 3 дано усиление антенны dBi, в полосе 20 МГц - 6,5; на фиг. 4 дано входное сопротивление, Ом - 50; на фиг. 5 даны результаты испытаний антенны круговой направленности, таблица.
Таким образом, антенна круговой направленности имеет неразборную конструкцию и не требует дополнительной настройки при монтаже.
Выводы по результатам испытаний:
- испытуемая антенна круговой направленности показала хорошие результаты в режиме точка - точка (прямая видимость) по сравнению с антенной «Полярис», выпускаемыми фирмой ООО «Бестер» г. Воронеж и «Полярис 450-6», 433-435МГц г. Екатеринбург;
- испытуемая антенна круговой направленности, частотой 434.000 МГц с радиомодемом СЕ831С1.03 - показала хорошие результаты в радиусе 500-600 м относительно счетчиков, обеспечивает устойчивую связь по радиоканалу на частоте 434.000 МГц;
- антенны «Полярис», фирмы ООО «Бестер» г. Воронеж и «Полярис 450-6», г. Екатерибург, уступают по техническим характеристикам испытуемой антенне по предлагаемому изобретению. Коэффициент усиления данной антенны больше 6 dBi;
- коэффициент стоячей волны (KCB) проверен прибором САА - 500 COMET ANTENNA на частоте 434.007 МГц и составляет величину 1,35, что также является удовлетворительным параметром, так как для антенно-фидерных устройств эта величина должна находиться в диапазоне 1,0-1,5 единиц;
- указанный тип антенны может применяться для организации связи по радиоканалу на частоте 434.000 МГц, например, при реализации проектов АСКУЭ;
- представленная на испытание антенна имеет оптимальные габаритные размеры, при рабочей длине антенны 39 см и диаметре наружной оболочки 23 мм. Конструкция предусматривает крепление антенны к металлической трубе диаметром до 40 мм, а также на металлические поверхности двумя отверстиями под болт М8, причем предлагаемая антенна значительно снижает парусность при ветровых нагрузках по сравнению с аналогами, у которых длина в среднем составляет 100,5 см.
Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующие преимущества:
- упрощение конструкции;
- уменьшение парусности;
- улучшение стабильности основных параметров.