Дециметровая антенна (варианты)

Дециметровая антенна (варианты)

Реферат

 

Изобретения относятся к антенной технике и могут быть использованы для работы совместно с радио- и радиорелейными станциями ультракоротковолнового диапазона. Техническим результатом является снижение габаритов антенн при сохранении и некотором улучшении их электрических параметров. В первом варианте антенна состоит из уголкового металлического отражателя (УМО) и двух металлических пластин (МП), электрически соединенных с кромками УМО. В плоскости биссектрисы УМО установлен излучатель в виде секторной пластины, подключенный к фидеру. Во втором варианте путем зеркальной установки относительно их вершин двух УМО сформированы четыре идентичных первому излучателя, обеспечивающих формирование квазиненаправленный азимутальной диаграммы направленности. Определены оптимальные соотношения электрических размеров, при которых достигается минимизация габаритов антенны. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 10 ил.

Изобретения относятся к области радиотехники, а именно к области антенной техники, в частности, заявляемые дециметровые антенны могут быть использованы в качестве направленных приемных и/или передающих антенн радио- и радиорелейных станций, работающих в диапазоне дециметровых волн (ДМВ) или в качестве приемной телевизионной антенны ДМВ.

Разработка вариантов заявленных антенн предусматривает также расширение арсенала средств аналогичного назначения.

Известны направленные антенны ДМВ, описанные, например, в книге: К. Ротхаммель. Антенны. - М.: Энергия, 1979, с. 245-275, представляющих собой различные конструкции антенн типа волновой канал, логопериодические, зигзагообразные и т.п.

Недостатком известных вариантов является их относительно малый рабочий диапазон (волновой канал, зигзагообразные) или низкий коэффициент направленного действия - КНД (логопериодические). Кроме того, такие антенны имеют громоздкие конструкции.

Наиболее близкой по своей технической сущности к заявленным является известная направленная антенна с уголковым отражателем, описанная в книге: И.Н. Гвоздев и др. Характеристики антенн радиосистем связи. - Л.: ВАС, 1978, с. 208. Антенна прототип состоит из уголкового металлического отражателя (УМО), образованного двумя плоскими сплошными или решетчатыми поверхностями (гранями). В плоскости биссектрисы УМО параллельно ребру расположен один или несколько соосных синфазных излучателей - симметричных вибраторов. Выбором соответствующих размеров элементов конструкции УМО обеспечивается формирование направленной характеристики излучения (приема).

Однако антенна-прототип имеет недостатки: относительно большие размеры элементов конструкции, в частности, УМО, что обусловлено необходимостью обеспечения синфазного сложения прямых и отраженных от УМО лучей; высокий уровень заднего лепестка диаграммы направленности (ДН), достигающий 25% от максимума ДН, что снижает помехозащищенность. Это обусловлено "затеканием" электромагнитных волн за кромки УМО, имеющего конечные размеры; антенна-прототип не может обеспечить работу с несколькими корреспондентами, азимутальные направления на которых значительно отличаются.

Целью заявленных изобретений является создание дециметровых антенн, обладающих меньшими габаритами при сохранении КНД и некотором увеличении диапазонности (первый и второй варианты) и обеспечивающих формирование квазиненаправленной в азимутальной плоскости ДН для обеспечения устойчивой связи при произвольной ориентации в азимутальной плоскости корреспондента (второй вариант).

В первом варианте поставленная цель достигается тем, что в известной дециметровой антенне, содержащей уголковый металлический отражатель (УМО), в плоскости биссектрисы которого установлен излучатель, подключенный к коаксиальному фидеру дополнительно введены первая и вторая металлические пластины (МП). Первая МП электрически подключена к верхним кромкам УМО, а вторая МП подключена электрически к нижним кромкам УМО. Излучатель выполнен в виде секторной пластины, вершина которой примыкает ко второй МП. Плоскость секторной пластины перпендикулярна плоскости биссектрисы УМО. Коаксиальный фидер своим центральным проводником через отверстие во второй МП подключен к вершине излучателя примыкающей ко второй МП, а экранной оболочкой ко второй МП.

Раствор УМО выбран в пределах 60 - 900^o. Высота ребра УМО составляет где _ср- средняя длина волны рабочего диапазона волн антенны. Высота ребра H и длина L кромки УМО соотносятся как H/L = 0,3 - 0,4. Угол при вершине секторной пластины излучателя выбран в интервале 30 - 40^o, а его высота h = (0,75 - 0,85)Н. Точка подключения излучателя к коаксиальному фидеру расположена в средней трети отрезка биссектрисы между вершиной УМО и прямой, соединяющей его ребра.

Во втором варианте поставленная цель достигается тем, что в известной дециметровой антенне, содержащей первый УМО, в плоскости биссектрисы которого параллельно его ребру установлен первый излучатель, подключенный к первому коаксиальному фидеру, дополнительно введены две МП и второй идентичный первому УМО. В плоскости биссектрисы второго УМО установлен второй излучатель, подключенный ко второму коаксиальному фидеру. Второй УМО установлен зеркально относительно вершины первого УМО, таким образом, что их биссектрисы ориентированы по одной прямой. Кромки вдоль вершин первого и второго УМО электрически соединены. Первая МП электрически подключена к верхним кромкам первого и второго УМО. а вторая МП - к их нижним кромкам. Дополнительно в плоскостях биссектрис, проходящих через уголковые металлические отражатели, образованные смежными гранями первого и второго УМО, установлены параллельно их ребрам третий и четвертый излучатели, подключенные соответственно к третьему и четвертому коаксиальным фидерам. Все четыре излучателя идентичны и каждый из них выполнен в виде секторной пластины, вершина которой примыкает ко второй МП и через отверстие в ней подключена к центральному проводнику соответствующего ей коаксиального фидера. Плоскость каждой секторной пластины перпендикулярна плоскости биссектрисы в которой установлен излучатель. Экранные оболочки четырех коаксиальных фидеров подключены ко второй МП.

Раствор первого и второго УМО выбран равным 90^o. Высота ребра УМО составляет (0,22-0,24)_ср. Высота ребра H и длина L кромки УМО соотносятся как H/L = 0,3 - 0,4. Угол при вершине секторной пластины излучателя выбран в интервале 30 - 40^o, а его высота h = (0,75 - 0,85)Н. Точка подключения каждого излучателя к соответствующему ему коаксиальному фидеру расположена в средней трети отрезка биссектрисы между вершиной УМО и соответствующей прямой, соединяющей ребра УМО.

Благодаря перечисленной новой совокупности существенных признаков в значительной мере снижается уровень электромагнитных волн от излучателя в обратном направлении за счет экранирующего действия введенных металлических пластин, а требуемые значения электрических параметров при одновременном уменьшении габаритов антенны достигается выбранными соотношениями размеров элементов конструкции (первый и второй варианты).

Во втором варианте коммутацией коаксиальных фидеров обеспечивается направленное излучение (прием) в любом секторе углов, т.е. формирование квазиненаправленной характеристики излучения.

Анализ известных решений по источникам технической и патентной литературы показал, что в них отсутствуют технические решения, содержащие совокупность признаков заявленных устройств, что указывает на их соответствие условию патентоспособности "новизна". Также в известных источниках информации не обнаружены отличительные признаки заявленного устройства, обеспечивающие достижение технического результата, который достигнут заявленными устройствами, что указывает на их соответствие условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Заявленные устройства, поясняются чертежами на которых показаны: на фиг. 1 - общий вид дециметровой антенны (первый вариант); на фиг. 2 - вид сверху дециметровой антенны (первый вариант); на фиг. 3 - конструкция излучателя; на фиг. 4 - общий вид дециметровой антенны (второй вариант); на фиг. 5 - вид сверху дециметровой антенны (второй вариант); на фиг. 6 - рисунок, поясняющий работу заявленных антенн; на фиг. 7 - вариант схемы высокочастотного коммутатора; на фиг. 8 - результаты экспериментальных измерений качества согласования; на фиг. 9, 10 - результаты экспериментальных измерений ДН.

Дециметровая антенна (первый вариант), показанная на фиг. 1, состоит из уголкового металлического отражателя (УМО) 1 с углом раствора , высотой ребра H и длиной кромок L, первой 2 и второй 3 металлических пластин (МП), излучателя 4, подключенного к коаксиальному фидеру 5. Первая МП 2 электрически подключена к верхним кромкам УМО 1, а вторая МП 3 - к нижним кромкам УМО 1. Т.е. плоскости первой 2 и второй 3 МП параллельны, а форма каждой из них повторяет форму проекции раскрыва УМО 1 на плоскость, проходящую через нижние (верхние) кромки УМО 1. Излучатель 4 выполнен в виде пластины, имеющей форму сектора, с углом при вершине (см. фиг. 2). Форма верхней кромки секторной пластины излучателя 4 не имеет принципиального значения. Она может быть прямой, как показано на фиг. 2, закругленной или многоугольной. Излучатель 4 установлен вертикально по отношению к плоскости второй МП 3 и вершиной примыкает к ней. Продольная ось (c-c') излучателя 4 расположена в плоскости, перпендикулярной плоскости второй МП 3 и проходящей через биссектрису (o-o') УМО 1. Плоскость секторной пластины излучателя 4 перпендикулярна вертикальной плоскости, в которой лежит биссектриса УМО 1 (см. фиг. 3).

Излучатель 4 своей вершиной через отверстие 6 во второй МП 3 подключен к центральному проводнику 7 коаксиального фидера 5 (точка "а"). Экранная оболочка коаксиального фидера 5 подключена ко второй МП 3 (точка "б"). Точка подключения излучателя делит отрезок биссектрисы о-о' (см. фиг. 3) на две части P и P', в общем случае неравных.

Дециметровая антенна (второй вариант), показанная на фиг. 4, состоит из идентичных первого 1 и второго 2 УМО с углом раскрыва высотой ребра H, установленных зеркально относительно их вершин (точка "к") вдоль оси симметрии (о-о'), проходящей через их биссектрисы. Кромки примыкающих вершин первого 1 второго 2 УМО электрически соединены. При углах раствора УМО 1 и 2 = 90^o имеет место полная симметрия конструкции, в которой два дополнительных третий 3 и четвертый 4 УМО образованы внешними поверхностями примыкающих граней первого 1 и второго 2 УМО. Первая 5 и вторая 6 металлические пластины (МП) соединены электрически соответственно с верхними и нижними кромками УМО 1 и 2. Таким образом, в плане (см. фиг. 5) МП 5 и 6 имеют форму квадратов со стороной А равной 2 x L, где L - длина нижней (верхней) кромок УМО.

В вертикальных плоскостях, проходящих через биссектрисы первого 1, второго 2, третьего 3 и четвертого 4 УМО, установлены вертикально излучатели соответственно 7, 8, 9 и 10, которые подключены к соответствующим коаксиальным фидерам 11, 12, 13 и 14. Все излучатели идентичны излучателю, описанному в первом варианте заявленного устройства. Аналогичными являются порядок их подключения к фидерам и их ориентирование относительно соответствующего им УМО.

Точки подключения излучателей к соответствующим им коаксиальным фидерам делят отрезки биссектрис (о-о') на две, в общем случае неравные части P и P'.

В процессе экспериментальной проработки конструкции были установлены соотношения размеров элементов конструкции, являющиеся справедливыми как для первого, так и для второго варианта заявляемых устройств и при которых реализуются поставленные цели, а именно: H = (0,22-0,24)_ср, = h/H = 0,75 - 0,85, = 30 - 40^o, P/P' = 0,5 - 2,0. Для первого варианта заявленной антенны = 60 - 90^o. Для второго варианта = 90^o.

Заявленная дециметровая антенна (первый вариант) работает следующим образом. При конечных размерах УМО 1 строгое определение параметров антенны затруднено. Поэтому для приближенных оценок можно полагать размеры H и L бесконечными и, следовательно, можно использовать метод зеркальных изображений.

Расположение и фазы токов изображений излучателя берут таким образом, чтобы для результирующего поля ее касательная составляющая на поверхности отражающих стенок была равна нулю. При таком подходе антенна может быть представлена в виде системы из двух пар излучателей, расположенных по окружности радиуса P, и при угле = 90^o (см. фиг. 6). При этом фазы токов в соседних вибраторах должны отличаться на . Поле антенны в секторе углов в этом случае будет равна сумме полей излучателя и его зеркальных изображений. Вне этого сектора поле можно считать приближенно равным нулю.

Сопротивление излучения будет равно сумме сопротивления собственно излучателя и сопротивлений, наведенных его изображений. При уменьшении угла расстояния "P" величина КНД растет, однако при этом одновременно уменьшается сопротивления излучения, что затрудняет согласование антенны и, следовательно, снижает ее рабочий диапазон. При больших значениях "P" КНД падает. Если при этом отсутствуют МП 2 и 3, то при увеличении "P" одновременно будет возрастать уровень заднего излучения, из-за более интенсивного облучения кромок УМО. Наличие МП позволяет при относительно больших значениях "P", приемлемых по условиям диапазонного согласования, практически исключить задний лепесток ДН. Дополнительно диапазонность антенны достигается выбором формы излучателя, близкой, с учетом его зеркального отображения во второй МП 3, к самодополнительной структуре, и ориентацией его в пределах объема излучателя.

С учетом приведенных выше соотношений размеров в заявленной антенне реализуется возможность существенного снижения габаритов при сохранении значений электрических параметров (КНД и коэффициента стоячей волны КСВ) в сравнении с прототипом.

Принцип работы второго варианта заявленной антенны полностью аналогичен первому, если рассматривать работу одного из четырех излучателей с соответствующим ему УМО. Однако при такой конструкции оказывается возможным путем переключения с помощью высокочастотного коммутатора (см. фиг. 7) коаксиальных фидеров к входу радиостанции обеспечить работу в требуемом секторе азимутальных углов без механического поворота антенны, т.е. сформировать квазиненаправленную характеристику излучения.

Достоверность теоретических предпосылок была проверена с помощью опытных образцов заявленных антенн путем измерения качества согласования (КСВ) в диапазоне частот со средней частой 400 МГц (_ср = 0,75м) и измерения ДН. Опытные образцы были выполнены из белой жести толщиной 0,02 мм со следующими размерами в (мм): H = 172; L = 490; h = 137; P = 173; = 90^o; = 40^o; волновое сопротивление коаксиального фидера = 75 Ом.

Результаты измерений, приведены на фиг. 8 (КСВ) и фиг. 9, 10 (ДН). Там же пунктиром приведены аналогичные параметры для прототипа. Полученные результаты дают основания для следующих выводов. Качество согласования на уровне КСВ меньше 2 в заявленной антенне реализуется более чем в 2,5-кратном диапазоне частот. В прототипе - 1,6-кратном. Т.е. в заявленной антенне рабочий диапазон F больше примерно в 1,7 раза. При практически одинаковом с прототипом КНД в ДН заявленной антенны практически отсутствует задний лепесток, что повышает помехозащищенность работы канала связи. Путем коммутации первого 11, второго 12, третьего 13 и четвертого 14 фидеров (см. фиг. 4) антенны второго варианта обеспечивается сформирование порциальных ДН (на фиг. 10 обозначены соответственно цифрами 1, 2, 3 и 4), т.е. перекрытие полного азимутального угла на уровне ДН не менее 0,65 от максимума. У прототипа (см. в указанном источнике) размеры элементов конструкции составляют (в мм): H_пр = 850; L = 890; у заявленной H = 172; L = 490. Т.е. у заявленной антенны высота меньше в 5 раз, длина кромок УМО меньше практически в 2 раза.

Полученные экспериментальные данные подтверждают возможность достижения технического результата, указанного в цели изобретения.

Формула изобретения

1. Дециметровая антенна, содержащая уголковой металлический отражатель и размещенный в его пределах излучатель, продольная ось которого ориентирована в плоскости биссектрисы уголкового металлического отражателя, параллельно его ребру, и коаксиальный фидер, подключенный к излучателю, отличающаяся тем, что дополнительно введены первая и вторая металлические пластины, первая из которых электрически подключена к верхним, а вторая - к нижним кромкам углового металлического отражателя, излучатель выполнен в виде секторной пластины, вершина которой через отверстие во второй металлической пластине подключена к центральному проводнику коаксиального фидера, а плоскость секторной пластины перпендикулярна плоскости биссектрисы углового металлического отражателя, причем коаксиальный фидер подключен экранной оболочкой ко второй металлической пластине.

2. Дециметровая антенна по п.1, отличающаяся тем, что раствор уголкового металлического отражателя выбран в пределах 60 - 90^o, а высота Н его ребра составляет 0,22 - 0,24 от средней длины волны рабочего диапазона волн и соотносится с длиной L кромки как H/L = 0,3 - 0,4, угол при вершине секторной пластины излучателя выбран в интервале 30 - 40^o, а высота излучателя составляет (0,75 - 0,85)Н, причем точка подключения излучателя к коаксиальному фидеру расположена в средней трети отрезка биссектрисы между вершиной углового металлического отражателя и прямой, соединяющей его ребра.

3. Дециметровая антенна, содержащая первый уголковый металлический отражатель и размещенный в его пределах первый излучатель, продольная ось которого ориентирована в плоскости биссектрисы первого уголкового металлического отражателя, параллельно его ребру, и первый коаксиальный фидер, подключенный к первому излучателю, отличающаяся тем, что дополнительно введены две металлические пластины и второй, идентичный первому, уголковый металлический отражатель с размещенным в его пределах аналогично первому вторым излучателем, подключенным к второму коаксиальному фидеру, второй уголковый металлический отражатель установлен зеркально относительно вершины первого, их кромки вдоль вершин электрически соединены, а биссектрисы ориентированы вдоль одной прямой, первая металлическая пластина электрически подключена к верхним, а вторая - к нижним кромкам первого и второго металлических отражателей, в пределах уголковых металлических отражателей, образованных смежными гранями первого и второго металлических отражателей установлены аналогично первому третий и четвертый излучатели, подключенные, соответственно, к третьему и четвертому коаксиальным фидерам, каждый из излучателей выполнен в виде секторной пластины, вершина которого через соответствующее отверстие во второй металлической пластине подключена к центральному проводнику соответствующего ей коаксиального фидера, а плоскость секторной пластины перпендикулярна плоскости биссектрисы, в которой установлен излучатель, причем экранные оболочки всех коаксиальных фидеров подключены ко второй металлической пластине.

4. Дециметровая антенна по п.3, отличающаяся тем, что раствор первого и второго уголковых металлических отражателей выбран равным 90^o, а высота Н их ребра составляет 0,22 - 0,24 от средней длины волны рабочего диапазона волн и соотносится с длиной L кромки как H/L = 0,3 - 0,4, угол при вершине секторной пластины каждого излучателя выбран в интервале 30 - 40^o, а высота излучателя составляет (0,75 - 0,85)Н, причем точка подключения каждого излучателя к соответствующему ему коаксиальному фидеру расположена в средней трети отрезка биссектрисы между вершиной уголковых металлических отражателей и соответствующей прямой, соединяющей их ребра.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10