АНТЕННО-МАЧТОВОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1994 года по МПК H01Q21/06 

Изобретение относится к антенной технике, преимущественно к антеннам радиосвязи УКВ-ДЦВ подвижных объектов, например морских судов и кораблей.

Количество антенн УКВ-ДЦВ на современных кораблях достигает несколько десятков, поэтому их размещение, обеспечивающее равномерность диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, представляет значительные трудности.

Известны УКВ-ДЦВ излучатели, размещаемые коаксиально с мачтой. (М. В. Вершков. Л. : Судостроение, 1979, с. 773).

Коаксиальный вибратор состоит из двух одинаково ориентированных короткозамкнутых четвертьволновых стаканов, коаксиальных с мачтой. Коаксиальный вибратор имеет круговую (равномерную) диаграмму направленности в плоскости Н, но эта антенна узкополосная, кроме того, коаксиальный вибратор ДЦВ нельзя разместить на мачте большого диаметра в связи с возникновением высших типов волн в коаксиальном стакане. При расположении коаксиального вибратора не на вершине, а в середине мачты требуется дополнительный четвертьволновый короткозамкнутый коаксиальный стакан для развязки вибратора с мачтой, что удлиняет устройство на 0,25 λ .

Известны антенные решетки из вибраторов, равномерно расположенных вокруг мачты (см. , например, П. С. Картер Антенные решетки вокруг цилиндров, Proceedings of the I. R. E, 1943). Решетка состоит из излучающих элементов, установленных на равных расстояниях друг от друга вокруг мачты. Она имеет равномерную диаграмму направленности в горизонтальной плоскости.

Однако указанная антенная решетка сложна конструктивно и узкополосна.

Известна также УКВ-ДЦВ антенна, расположенная на кронштейнах коллинеарно на одной мачте. (М. В. Вершков Судовые антенны. Л. : Судостроение, 1979, с. 178-179, рис 5.9 и с. 219-223, рис. 8.4-8.6). Такая конструкция проста в изготовлении и эксплуатации, но при этом отражение энергии от мачты и фидеров формирует глубокий минимум в диаграмме направленности антенны, что нежелательно, так как при смене курса подвижного объекта может произойти перерыв в радиосвязи, что является недостатком известной конструкции.

Целью изобретения является улучшение равномерности диаграммы направленности в горизонтальной плоскости.

Это достигается тем, что в антенно-мачтовом устройстве, состоящем из вертикальных коллинеарно расположенных излучателей, излучатели установлены по оси мачтового устройства, а фидеры и проводящие части мачты объединены в М проводников и размещены вокруг излучателей по окружности с радиусом R_n ≃ 0,25λ _ср, где λ_ср = , λ_min и λ_max - длины крайних волн рабочего диапазона n-го излучателя и с угловым интервалом Ψ = , при этом в каждой плоскости поперечного сечения, проходящей через центр n-го излучателя, проводники смещены на угол α = Ψ/2 = вокруг вертикальной оси и соединены между собой и излучателем проводящими перемычками.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предложенное антенно-мачтовое устройство отличается тем, что N излучателей установлено по оси мачтового устройства, а фидеры и проводящие части объединены в М проводников и размещены вокруг излучателей по окружности с радиусом R_n ≃ 0,25λ_ср и угловым интервалом Ψ = , кроме того, в каждой плоскости поперечного сечения, проходящей через центр n-го излучателя, проводники смещены на угол α = Ψ/2 = вокруг вертикальной оси и соединены между собой и излучателем проводящими перемычками.

Таким образом, предложенное антенно-мачтовое устройство соответствует критерию изобретения "новизна"
Технические решения, имеющие признаки, отличающие предложенное решение от прототипа, неизвестны. Кроме того, при их введении в указанной связи с остальными узлами известной конструкции в заявляемое антенно-мачтовое устройство они проявляют новые свойства, что улучшает равномерность диаграммы направленности в горизонтальной плоскости. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 схематически изображено предложенное устройство; на фиг. 2 - диаграммы направленности, полученные экспериментально при различно расположенных излучателях.

Антенно-мачтовое устройство содержит N вертикальных коллинеарно расположенных излучателей 1, вокруг излучателей 1 равномерно по окружности с радиусом R_n≃0,25 λ_ср с угловым интервалом Ψ = размещены М проводников 2, образованных проводящими частями мачты и фидерами, при этом в каждой плоскости поперечного сечения, проходящей через центр n-го излучателя, проводники 2 смещены на угол α = Ψ/2 вокруг вертикальной оси и соединены проводящими перемычками 3 в местах расположения излучателей 1 (для подведения фидеров к излучателям) и между двумя последовательно установленными излучателями (для механической прочности). Для уменьшения угла изгиба фидеров при переходе проводника 2 к перемычке 3, последние в области излучателей могут быть выполнены зигзагообразными или в виде наклонных полос с угловым интервалом ϑ . Расстояние R_n, на котором располагаются перемычки 3 от вертикальной оси устройства, может быть выбрано произвольно, так как не влияет на диаграмму направленности и входное сопротивление (Z_вх). На чертеже показаны варианты их исполнения:
перемычки 3 у верхнего излучателя находятся на минимальном расстоянии (R_min) от вертикальной оси;
перемычки у нижнего излучателя расположены на максимальном расстоянии (R_max) от вертикальной оси;
перемычки расположены между двумя последовательно установленными излучателями на расстоянии R_min < R < R_max от оси.

Несущую конструкцию удобно выполнить из диэлектрика (например, стеклопластиковой трубы, расположенной коаксиально с излучателями или в виде ажурной конструкции, не нарушающей схему устройства).

Работу устройства рассмотрим на примере одного излучателя 1, так как остальные (N-1)-излучателей работают аналогично.

Энергия коаксиальному фидеру вдоль проводников 2 и по перемычкам 3 подается к излучателю 1. Основной вклад в формирование диаграммы направленности вносят собственное поле излучателя 1 и поля, переизлученные М-проводниками 2, расположенными равномерно вокруг излучателя 1 на расстоянии R. Излучатель 1 возбуждает М проводников 2 синфазно, а это значит, что в плоскости Н диаграммы направленности будут определяться теми же хорошо известными математическими выражениями, что и в случае синфазной круговой решетки из вибраторов. Это дает основание воспользоваться известным расчетным материалом, приравняв число проводников 2 числу излучателей круговой решетки, и сориентироваться в выборе числа М для системы при заданной неравномерности диаграммы направленности. Очевидно, что брать избыточное число М невыгодно, так как проводники 2 начинают экранировать излучатель, затрудняя его согласование с фидером в диапазоне частот.

Поэтому в предложенном устройстве проводники 2 смещены на α = ϑ / 2 у каждого излучателя 1, что эквивалентно удвоению проводников 2 (М_Э = 2М) по влиянию диаграммы направленности в плоскости Н и не ухудшает согласование излучателя с фидером.

Приведены диаграммы направленности в зависимости от расположения излучателя 1 по отношению к проводникам 2.

1. Излучатель 1 расположен рядом с прямолинейным проводником 2 (М = 1, χ= 0^о). В этом случае, как показали эксперимент (см. фиг. 2, а) и расчеты, в диаграмме направленности в плоскости М появляются глубокие минимумы (до 0,3 E_max и менее), что недопустимо для антенн на подвижном объекте.

2. Излучатель 1 расположен симметрично между двумя прямолинейными проводниками 2 (М = 2, α = 0^o). Как показал эксперимент (см. фиг. 2 б), диаграмма направленности по сравнению с предыдущим случаем значительно улучшается (Е > 0,7 Е_max).

3. Излучатель 1 расположен рядом с изогнутым проводником 2 (М = 1, α = ϑ /2= 180^o (см. фиг. 1, принимая во внимание лишь затушеванный проводник и излучатель). По сравнению с первым случаем значительно улучшена равномерность диаграммы направленности (Е > 0,7 Е_max), при этом уменьшены наведенные сопротивления от проводников 2 по сравнению с вторым случаем, а значит созданы более благоприятные условия для согласования излучателя 1 с фидером в диапазоне частот.

Приведенные примеры экспериментально подтверждают получение положительного эффекта при использовании предлагаемого изобретения.

Проведенные исследования показали, что чем больше проводников 2 вокруг излучателя, тем шире диапазон частот, в котором диаграммы направленности остаются равномерными (Е ≥ 0,7 Е_max). Но при увеличении М растут наведенные сопротивления, что ухудшает согласование излучателя с фидером в рабочем диапазоне частот. Поэтому число М следует брать равным 3-4, соблюдая при этом условие α = ϑ /2, что влияет на диаграмму направленности в плоскости Н, как увеличение числа проводников 2 в два раза, т. е. М_Э = 2М.

Экспериментальная проверка показала, что проводники 2 практически не влияют на диаграмму направленности излучателя в плоскости Е, а диаграммы направленности в плоскости Н (при М = 3) остаются равномерными (Е > 0,7 Е_max) в диапазоне не менее двух октав.

Таким образом, предложенное устройство (уже при М = 1 и α = 180^о) в отличие от прототипа имеет равномерные диаграммы направленности без ухудшения согласования излучателя с фидером, что дает возможность эффективно его использовать для радиосвязи на подвижных объектах, например судах.

Использование: антенно-фидерные устройства для излучения с равномерной диаграммой направленности в горизонтальной плоскости. Сущность изобретения: устройство представляет собой вертикальный ряд вертикальных коллинарных излучателей, в том числе разных диапазонов, размещенных на мачте. Мачта выполнена в виде нескольких металлических стоек, расположенных равномерно по окружности вокруг излучателей. Напротив середины каждого излучателя стойки разделены на верхнюю и нижнюю части, которые смещены между собой на половину угла между стойками. В этом сечении стойки соединены между собой и с излучателем проводящими перемычками. 2 ил.

АНТЕННО-МАЧТОВОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее n излучателей, размещенные коллинарно на мачте, отличающееся тем, что, с с целью улучщения равномерности диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, мачта выполнена в виде M ≥ 2 вертикальных стоек, размещенные равномерно вокруг излучателей по окружности с радиусом R_п= 0,25 λ_сp.п, где n ≅ N - порядковый номер излучателя; λ_ср.п= , λ_min, λ_max - минимальная и максимальная длина волны рабочего диапазона n-го излучателя, причем в горизонтальной плоскости, проходящей через середину каждого излучателя, верхняя и нижняя части вертикальных стоек, расположенные выше и ниже данной плоскости, смещены одна относительно другой на угол α = и соединены между собой и с данным излучателем введенными проводящими перемычками.