СВЕРХШИРОКОПОЛОСНАЯ ДВУХПОРТОВАЯ АНТЕННА
ULTRA-WIDEBAND DUAL-PORT ANTENNA

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антеннам приемопередающих устройств для связи между стационарными объектами или наземными объектами с изменяющимся во времени их взаимным расположением, функционирующих одновременно или раздельно во времени в диапазонах MB, ДМВ1 и ДМВ2. Кроме того, изобретение относится к антеннам с вертикальной поляризацией и круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости.
Из уровня техники известен следующий принцип построения двухпортовых двухдиапазонных антенн с круговой диаграммой направленности и вертикальной поляризацией. В основании антенны, имеющей единственный штыревой излучатель, располагается широкополосное согласующее устройство (ШСУ), которое обеспечивает согласование антенны во всей рабочей полосе частот. Далее рабочий диапазон с помощью дуплексного радиочастотного фильтра, также размещенного в основании, делится на два или три поддиапазона (см., например, патент США US 6429821, опубликованный 06.08.2002; МПК H01Q 5/00, H01Q 5/02, H01Q 9/30).
max
min
Антенны, построенные по этому принципу, имеют существенный недостаток, связанный с тем, что на верхних частотах диапазона работает нижняя часть излучателя антенны. Это значительно уменьшает дальность радиосвязи, поскольку более высокие частоты требуют прямой видимости для прохождения радиоволн, а расстояние прямой видимости зависит от высоты излучателя антенны. Диаграммы направленности таких антенн в области верхних частот дробятся на несколько лепестков, образуя «провалы» по коэффициенту усиления в горизонт, особенно при больших коэффициентах перекрытия по частоте (соотношение верхней частоты fи нижней частоты f составляет более 3:1). Это происходит из-за избыточной длины излучателя по сравнению с половиной длины волны для верхней части диапазона, поскольку в излучателе появляются участки с противофазными токами. Кроме того, использование единственного ШСУ для поддиапазонов не позволяет получить достаточно большую полосу рабочих частот с приемлемым коэффициентом усиления во всей полосе, усложняется конструкция ШСУ и возрастают вносимые им потери.
Известна антенна AD-18/D-3512-DF фирмы TRIVAL ANTENE (Словения), работающая в диапазонах частот 30-108 и 225-512 МГц. Из данных производителя известно, что коэффициент усиления антенны AD-18/D-3512-DF в рабочем диапазоне частот меняется от минус 6 до плюс 2,8 дБ. Антенна построена с использованием единственного излучателя, общего для двух диапазонов широкополосного согласующего устройства, выполненного в виде широкополосного трансформатора с кольцевым ферритовым сердечником и разделительного радиочастотного фильтра, размещенных в основании, и имеет все описанные выше недостатки.
Известна двухпортовая антенна согласно заявке на патент США US 2010283699 (опубликована 11.11.2010; МПК H01Q 5/00, H01Q 9/16), содержащая первый излучатель для первого диапазона и второй излучатель для второго диапазона. Первый излучатель для первого диапазона выполнен на основе несимметричного вертикально ориентированного диполя из цилиндрических элементов и коаксиального кабеля, пропущенного внутри цилиндрического элемента, при этом длина верхнего цилиндрического элемента исполнена меньшей, чем длина нижнего цилиндрического элемента. Эта антенна включает шесть излучающих цилиндрических элементов различной длины, объединенных в диполи и соединенных между собой дросселями в виде меандрообразных линий. Антенна функционирует в трех диапазонах: 30-190, 225-450 и 700-2000 МГц. По сути, диапазоны частот 30-190 и 225-450 МГц являются одним сплошным диапазоном, имеющим существенный недостаток - отсутствие приема (передачи) частот в области от 190 до 225 МГц. Это отсутствие приема (передачи) по существу является «провальной» областью диапазона частот, простирающегося от 190 до 225 МГц в рамках диапазона 30-450 МГц. Сигналы диапазона 700-2000 МГц снимаются с первого порта, а диапазонов 30-190 и 225-450 МГц - со второго. Ограничениями антенны по заявке US 2010283699 являются:
- недостаточно широкая рабочая полоса частот в диапазоне ДМВ2 и невозможность приема сигналов от 190 до 225 МГц;
- объединенный секционированный излучатель не может эффективно работать во всех трех диапазонах. В верхнем диапазоне главный лепесток диаграммы направленности начинает дробиться, когда длина объединенного излучателя превышает половину длины волны;
- недостаточно высокий коэффициент усиления в направлении горизонта;
- сложность конструкции из-за использования меандрообразных дросселей между цилиндрическими элементами и других согласующих элементов и многочисленных распаек коаксиальной линии к шести цилиндрическим элементам.
Наиболее близкой к заявляемой является широкополосная двухпортовая антенна согласно заявке на патент США US 2014159975 (опубликована 12.06.2014; МПК H01Q 5/00, H01Q 9/28), содержащая излучающие элементы, расположенные на одной вертикальной оси и выполненные цилиндрическими и полыми, а также первый коаксиальный кабель и второй коаксиальный кабель, пропущенный внутри полостей излучающих элементов.
Это устройство так же, как и упомянутое раньше, выполнено на основе несимметричных вертикально ориентированных диполей излучающих элементов, при этом первый коаксиальный кабель так же, как и второй, пропущен через излучающие элементы, и их центральные жилы и оплетки подсоединены соответствующим образом к излучающим элементам для образования диполей, а свободные концы коаксиальных кабелей выполняют функцию портов для сигналов с частотами соответственно от 100 до 800 МГц (I порт) и сигналов от 800 МГц до 2 ГГц (II порт). Для улучшения коэффициента стоячей волны (КСВ) в области частот ниже 150 МГц нижняя короткая секция всей объединенной секционированной антенны подсоединена к расположенному выше излучающему элементу через RLC-цепь. Всего используется пять излучающих элементов. Недостатками этого устройства являются:
- недостаточно широкий диапазон частот;
- объединенный секционированный излучатель не может эффективно работать во всех диапазонах. В верхнем поддиапазоне главный лепесток диаграммы направленности начинает искажаться (дробиться), когда длина объединенного секционированного излучателя превышает половину длины волны;
- сложность обеспечения большого коэффициента перекрытия поддиапазонов;
- недостаточно высокий коэффициент усиления.
Решаемая изобретением задача заключается в улучшении технико-эксплуатационных характеристик широкополосной двухпортовой антенны.
Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является увеличение ширины диапазона рабочих частот, улучшение формы диаграммы направленности в верхнем диапазоне частот, обеспечение максимально возможного коэффициента перекрытия по частоте, повышение коэффициента усиления.
Для решения поставленной задачи с достижением технического результата широкополосная двухпортовая антенна согласно изобретению содержит излучающие элементы, расположенные на одной вертикальной оси и выполненные цилиндрическими и полыми, первый коаксиальный кабель, второй коаксиальный кабель, пропущенный внутри полостей излучающих элементов. Наружные свободные концы первого и второго коаксиальных кабелей образуют два порта для двух поддиапазонов общего частотного диапазона. Согласно изобретению антенна образована электрически раздельными излучающими элементами для каждого из двух поддиапазонов. Для первого поддиапазона первый коаксиальный кабель соединен через трансформатор импеданса с нижним краем нижнего излучающего цилиндрического элемента, имеющего длину больше, чем длины остальных излучающих элементов. Для второго поддиапазона второй коаксиальный кабель пропущен внутри нижнего излучающего цилиндрического элемента и подведен к среднему излучающему цилиндрическому элементу, выполненному в виде перевернутого стакана с длиной меньше, чем длина нижнего излучающего цилиндрического элемента. Центральная жила второго коаксиального кабеля выведена через отверстие в дне перевернутого стакана среднего излучающего цилиндрического элемента, а его оплетка соединена с дном указанного перевернутого стакана. Верхний излучающий цилиндрический элемент выполнен меньшей длины, чем длина среднего излучающего цилиндрического элемента. Верхний излучающий цилиндрический элемент выполнен в виде стакана с дном, обращенным к дну перевернутого стакана среднего излучающего цилиндрического элемента. Центральная жила второго коаксиального кабеля соединена с дном стакана верхнего излучающего цилиндрического элемента. Внутри верхнего излучающего цилиндрического элемента расположены первый провод и второй провод. Первый провод одним концом соединен с дном стакана верхнего излучающего цилиндрического элемента, а другой его конец выведен наружу. Второй провод одним концом соединен через отверстие в дне стакана верхнего излучающего цилиндрического элемента с дном перевернутого стакана среднего излучающего цилиндрического элемента, а другой его конец выведен наружу. В устройство введены несимметричный вибратор, установленный соосно указанным излучающим элементам, катушка индуктивности и конденсатор, одни выводы которых соединены между собой и подсоединены к несимметричному вибратору. Другой вывод катушки индуктивности соединен с выведенным наружу концом первого провода, а другой вывод конденсатора соединен с выведенным наружу концом второго провода.
Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых:
- трансформатор импеданса выполнен обеспечивающим преобразование импеданса первого порта 50 Ом в импеданс 200 Ом;
- трансформатор импеданса выполнен на ферритовом кольцевом сердечнике, конец его первичной обмотки соединен с началом вторичной обмотки, а точка их соединения подключена к оплетке первого коаксиального кабеля, начало первичной обмотки соединено с центральной жилой первого коаксиального кабеля, а конец вторичной обмотки соединен с нижним краем нижнего излучающего цилиндрического элемента;
- введено диэлектрическое кольцо, установленное в нижнем излучающем цилиндрическом элементе на расстоянии в области одной трети его длины от нижнего края нижнего излучающего цилиндрического элемента;
- катушка индуктивности выполнена излучающей в виде омедненной стальной пружины;
- в качестве несимметричного вибратора использован штырь - жесткий металлический стержень, сплошной или из сочленяющихся звеньев, или металлизированный диэлектрический стержень, или проволочный жгут.
Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются с помощью варианта выполнения антенны со ссылками на фигуру.
Фиг. 1 схематично изображает конструкцию сверхширокополосной двухпортовой антенны согласно изобретению.
Сверхширокополосная двухпортовая антенна содержит излучающие элементы, расположенные на одной вертикальной оси, выполненные цилиндрическими и полыми. Устройство снабжено первым коаксиальным кабелем 1 и вторым коаксиальным кабелем 2. Второй коаксиальный кабель 2 проходит внутри полостей излучающих элементов. Наружные свободные концы первого и второго коаксиальных кабелей 1, 2 образуют два порта для двух поддиапазонов общего частотного диапазона и могут быть снабжены разъемами соответственно 3, 4.
Антенна образована электрически разделенными излучающими элементами для каждого из двух поддиапазонов.
Для первого поддиапазона первый коаксиальный кабель 1 соединен через трансформатор 5 импеданса с нижним краем нижнего излучающего цилиндрического элемента 6, который имеет длину больше, чем длина любого из остальных излучающих элементов.
Для второго поддиапазона второй коаксиальный кабель 2 пропущен внутри нижнего излучающего цилиндрического элемента 6 и подведен к среднему излучающему цилиндрическому элементу 7, выполненному в виде перевернутого стакана, длина которого меньше, чем длина нижнего излучающего элемента 6. Центральная жила второго коаксиального кабеля 2 выведена через отверстие в дне перевернутого стакана среднего излучающего цилиндрического элемента 7 (далее также «перевернутый стакан») без образования электрического контакта с ним, а оплетка второго коаксиального кабеля 2 соединена с дном перевернутого стакана. Верхний излучающий цилиндрический элемент 8 выполнен в виде стакана с дном, обращенным к дну перевернутого стакана, и имеет длину меньше, чем длина перевернутого стакана. Центральная жила второго коаксиального кабеля 2 соединена с дном стакана верхнего излучающего цилиндрического элемента 8. Кроме того, внутри верхнего излучающего цилиндрического элемента 8 размещены первый провод 9 и второй провод 10. Первый провод 9 одним концом соединен с дном стакана верхнего излучающего цилиндрического элемента 8 (следовательно, и с центральной жилой второго коаксиального кабеля 2), а другой конец указанного провода выведен наружу. Второй провод 10 одним концом проходит без образования электрического контакта через отверстие в дне стакана верхнего излучающего цилиндрического элемента 8 и соединен с дном перевернутого стакана среднего излучающего цилиндрического элемента 7, следовательно, с оплеткой второго коаксиального кабеля 2. Другой конец второго провода 10 выведен наружу из стакана верхнего излучающего цилиндрического элемента 8.
В устройство введены несимметричный вибратор 11, установленный соосно излучающим элементам 6, 7, 8, катушка 12 индуктивности и конденсатор 13. Одни выводы катушки 12 индуктивности и конденсатора 13 соединены между собой и подсоединены к несимметричному вибратору 11. Другой вывод катушки 12 индуктивности соединен с выведенным наружу концом первого провода 9, а другой вывод конденсатора 13 соединен с выведенным наружу концом второго провода 10.
Для обеспечения КСВ менее 3 и нижней частоты первого поддиапазона 27 МГц трансформатор 5 импеданса выполнен обеспечивающим преобразование импеданса 50 Ом первого порта в импеданс 200 Ом.
Трансформатор 5 импеданса может быть выполнен на ферритовом кольцевом сердечнике. Конец его первичной обмотки соединен с началом вторичной обмотки, а точка их соединения подключена к оплетке первого коаксиального кабеля 1. Начало первичной обмотки трансформатора 5 соединено с центральной жилой первого коаксиального кабеля 1, а конец вторичной обмотки соединен с нижним краем нижнего излучающего цилиндрического элемента 6, как показано на фиг. 1.
Дополнительно может быть введено диэлектрическое кольцо 14, установленное в нижнем излучающем цилиндрическом элементе 6 на расстоянии в области примерно одной трети его длины от нижнего края нижнего излучающего цилиндрического элемента 6.
Катушка 12 индуктивности выполнена излучающей, в виде омедненной стальной пружины и предназначена для дополнительного расширения полосы рабочих частот при высоком КПД антенны.
В качестве несимметричного вибратора 11 может быть использован жесткий металлический стержень, сплошной или из сочленяющихся звеньев, или металлизированный диэлектрический стержень, или проволочный жгут и т.п.
Далее работа заявленной сверхширокополосной двухпортовой антенны поясняется на частном варианте осуществления изобретения.
Заявленная конструкция сверхширокополосной двухпортовой антенны обеспечивает КСВ не более 3,5 в поддиапазонах рабочих частот от 27 до 220 МГц и от 220 до 2700 МГц (общий коэффициент перекрытия по частоте 100:1) и коэффициент усиления (Ку) от минус 5 до 4 dB в направлении горизонта.
В отличие от имеющихся аналогов предлагаемая антенна получена объединением ранее неизвестным образом двух электрически раздельных излучающих частей, каждая из которых согласована в своем широком поддиапазоне частот, в одну сверхширокополосную двухпортовую антенну.
В нижней части такой объединенной сверхширокополосной двухпортовой антенны расположен нижний излучающий цилиндрический элемент 6, работающий в нижнем поддиапазоне частот (от 27 до 220 МГц). Внутри указанного цилиндрического элемента 6 проходит второй коаксиальный кабель 2, питающий действующую в верхнем поддиапазоне частот от 220 до 2700 МГц систему излучателей, расположенных вверху (как показано на фиг.1) объединенной антенны.
Обе части объединенной антенны имеют свои порты I и II для подключения к приемопередающим устройствам соответствующих поддиапазонов при помощи соответственно разъемов 3 и 4. При этом поддиапазон системы верхних излучающих элементов 7, 8, 11, 12, может быть продолжением поддиапазона нижнего излучающего цилиндрического элемента 6 в область более высоких частот или может быть отнесен по частоте на заданный интервал вверх или, с перекрытием поддиапазонов, вниз. При необходимости, каждый из поддиапазонов может быть дополнительно разделен дуплексным или триплексным фильтром.
В качестве широкополосного согласующего устройства нижнего поддиапазона используется трансформатор 5 импеданса, выполненный на ферритовом кольцевом сердечнике. Коэффициент трансформации выбран для оптимальной работы нижнего излучающего цилиндрического элемента 6 с учетом проходящего внутри него второго коаксиального кабеля 2.
Нижний излучающий цилиндрический элемент 6 в частном варианте исполнения изобретения представляет собой металлическую трубу длиной 1200 мм с внутренним диаметром 15 мм.
Трансформатор 5 импеданса преобразует импеданс порта приемопередающего устройства, равный 50 Ом, в импеданс 200 Ом. Это значение является оптимальным для согласования излучающего цилиндрического элемента 6 в полосе частот 27-220 МГц.
Трансформатор 5 импеданса в частном варианте исполнения изобретения выполнен на ферритовом кольцевом сердечнике типоразмером К 16×8×4 с начальной магнитной проницаемостью 30. Первичная обмотка содержит 3 витка провода диаметром 0,45 мм, вторичная обмотка содержит 6 витков того же провода. Витки первичной обмотки уложены между витками вторичной обмотки. Конец первичной обмотки соединяется с началом вторичной обмотки, и точка их соединения подключается к экранирующей оплетке коаксиального кабеля 1. Начало первичной обмотки соединяется с центральной жилой коаксиального кабеля 1. Конец вторичной обмотки соединяется с нижним излучающим цилиндрическим элементом 6.
Для дополнительного улучшения диаграммы направленности в верхней части поддиапазона 27-220 МГц может быть введено диэлектрическое кольцо 14, установленное в нижнем излучающем цилиндрическом элементе 6 на расстоянии в области примерно одной трети его длины от нижнего края нижнего излучающего цилиндрического элемента 6. Таким образом, нижний излучающий цилиндрический элемент 6 разделяется по длине емкостной вставкой. Емкость между двумя разделенными частями предпочтительно составляет около 2 пФ. Длина нижней части до емкостной вставки излучающего цилиндрического элемента 6, которая подключается к трансформатору 5 импеданса, предпочтительно составляет 350-400 мм.
К контактам входного разъема 4, который является вторым портом питания верхней части объединенной антенны, подключается коаксиальный кабель 2, проходящий через нижний излучающий цилиндрический элемент 6. Другой конец второго коаксиального кабеля 2 посредством первого и второго проводов 9 и 10 подключается к входу Г-образного LC-звена, состоящего из катушки 12 индуктивности и конденсатора 13.
Катушка 12 индуктивности представляет собой омедненную стальную пружину. Пружина содержит 7 витков провода диаметром 1,2 мм, шаг витков 2,7 мм, внутренний диаметр 4 мм. Таким образом, роль индуктивности выполняет спираль, являющаяся частью полотна антенны. Как известно, ширина полосы частот контура зависит от добротности элементов контура и на практике определяется, в основном, добротностью катушки 12 индуктивности. Поскольку в предлагаемой конструкции катушка 12 индуктивности является частью излучателя, ее добротность уменьшается за счет полезной отдачи энергии на излучение, а не за счет тепловых потерь. Поэтому дополнительно достигается широкая полоса рабочих частот при сохранении высокого КПД антенны.
К нижнему концу катушки 12 подключается провод 9 (как показано на фиг. 1), присоединенный к центральной жиле коаксиального кабеля 2. Верхний конец катушки 12 соединяется с выводом конденсатора 13, имеющего емкость 1,3 пФ.
К точке соединения катушки 12 и конденсатора 13 подключается несимметричный вибратор 11, представляющий собой, например, металлический стержень длиной 200 мм и диаметром 6 мм. Второй вывод конденсатора 13 соединяется со вторым проводом 10.
Провода 9 и 10, соединяющие коаксиальный кабель 2 с входом LC-звена, проходят внутри верхнего излучающего цилиндрического элемента 8, выполненного в форме стакана, дно которого подсоединяется к первому проводу 9. Второй провод 10 проходит без образования электрического контакта через отверстие в дне стакана верхнего излучающего цилиндрического элемента 8 и соединяется с дном перевернутого стакана среднего излучающего цилиндрического элемента 7. Верхний излучающий цилиндрический элемент 8 имеет внутренний диаметр 20 мм и высоту 55 мм. Таким образом, первый провод 9 электрически соединен с центральной жилой коаксиального кабеля 2, а второй провод 10 электрически соединен с экранирующей оплеткой коаксиального кабеля 2.
Несимметричный вибратор 11, согласованный с помощью Г-образного LC-звена, совместно с верхним излучающим элементом 8 обеспечивает работу антенны в поддиапазоне 220-2700 МГц. В высокочастотной части этого поддиапазона основным излучателем является верхний излучающий цилиндрический элемент 8. В низкочастотной части действует, в основном, несимметричный вибратор 11. Разделение излучателя по длине на два параллельных коаксиальных элемента не только расширяет диапазон рабочих частот, но и позволяет значительно уменьшить дробление главного лепестка диаграммы направленности в высокочастотной части поддиапазона.
Средний излучающий цилиндрический элемент 7, подключенный вместе со вторым проводом 10 к оплетке второго коаксиального кабеля 2, является противовесом для несимметричного вибратора 11 и верхнего излучающего цилиндрического элемента 8. Средний излучающий цилиндрический элемент 7 имеет внутренний диаметр 15 мм и высоту 180 мм.
Так как нижний излучающий цилиндрический элемент 6, больший по размерам, используется только в нижнем поддиапазоне частот, а на верхнем поддиапазоне используется отдельный, более короткий излучатель, состоящий, в свою очередь, из двух частей, диаграмма направленности получается без дробления главного лепестка.
Общая полоса частот объединенной антенны складывается из двух широких поддиапазонов, в которых работают излучатели с отдельными согласующими устройствами, поэтому общий коэффициент перекрытия по частоте получается больше, чем можно получить при использовании единственного согласующего устройства, например широкополосного трансформатора на ферритовом сердечнике. Кроме того, предложенная антенна имеет во всей полосе частот более высокий коэффициент усиления.
Поскольку в предлагаемой антенне широкополосный трансформатор используется только в ограниченном сверху поддиапазоне частот, упрощаются его конструкция и требования к исполнению.
Наиболее успешно заявленная сверхширокополосная двухпортовая антенна применяется для связи между стационарными объектами или подвижными объектами, например передвижными радиостанциями.