ДУПЛЕКСНАЯ АНТЕННА Российский патент 1997 года по МПК H01Q5/00 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антенной технике, и, в частности, дуплексная антенна может быть использована в качестве приемо-передающей ненаправленной в азимутальной плоскости антенны в системах ретрансляции.

Известны слабонаправленные в азимутальной плоскости дуплексные антенны (пат. США N 3594809, 1971). Антенна состоит из двух ортогональных рамок, расположенных на противоположных сторонах экрана. Каждая рамка подключена к отдельному тракту питания. Развязка каналов достигается поляризационным разносом и дополнительно за счет металлического экрана.

Известна также дуплексная антенна (пат. США N 3725943, 1973), в которой развязка достигается за счет ортогонального размещения излучателей и дополнительно за счет поляризационной и частотной развязки.

Недостатком аналога является малая степень развязки каналов при работе на одной частоте и возможность дуплексной работы только при разных поляризациях трактов.

Наиболее близкой по своей технической сущности к предлагаемой является дуплексная антенна (пат. США N 3742510, 1973), которая состоит из четырех вибраторов, расположенных взаимно ортогонально и установленных под небольшим углом относительно плоскости металлического экрана. Вибраторы запитаны с 90^o фазовым сдвигом и подключены к тракту питания первого канала. Дополнительно в антенне предусмотрена возможность подключения всех вибраторов синфазно к тракту питания второго канала.

Благодаря такой схеме при работе первого канала в направлении нормали от экрана формируется кругополяризованное поле излучения. В направлениях, примыкающих к плоскости экрана, поле вырождается в линейное. В остальных направлениях поле имеет эллиптическую поляризацию. Амплитудная диаграмма направленности (ДН) суммарного поля имеет максимум в направлении нормали от экрана. Азимутальная диаграмма ненаправленная.

При работе второго канала вибраторы возбуждают синфазно и они совместно с металлическим экраном образуют дискоконусную антенну. Поле излучения такой антенны имеет линейную вертикальную поляризацию. Максимум ДН ориентирован в направлении параллельном плоскости экрана.

Недостатками прототипа являются
различные энергетические параметры каналов при их работе с одним, произвольно ориентированным в пространстве корреспондентом, что объясняется различием амплитудных ДН каналов;
антенна не обеспечивает дуплексную работу двух каналов на одной частоте в силу невысокого уровня их развязки;
антенна не обеспечивает дуплексную работу двух каналов на одной поляризации, так как поляризационные структуры излучаемых полей вибраторами первого и второго каналов отличаются друг от друга;
антенна-прототип имеет относительно малую полосу рабочих частот с приемлемым качеством согласования.

Целью изобретения является разработка дуплексной антенны, обеспечивающей широкополосную одновременную и независимую работу первого и второго каналов на одной частоте и одной поляризацией с более высокой степенью развязки.

Цель достигается тем, что в известной дуплексной антенне, включающей четыре идентичных вибратора, возбуждаемых с прогрессивным 90^o фазовым сдвигом, установленных над металлическим экраном и подключенных к тракту питания первого канала, вибраторы выполнены в виде излучателей магнитного типа. Под излучателем магнитного типа понимают любой излучатель, который в малогабаритном исполнении (т.е. когда его наибольший линейный размер много меньше длины рабочей волны) имеет индуктивный характер реактивной составляющей входного сопротивления. При этом некомпенсированная часть энергии ближнего реактивного поля излучателя сосредоточена в магнитном поле. Отсюда и название излучатель магнитного типа. Физической моделью магнитного диполя является малогабаритная рамка (Кочержевский Г. Н. Антенно-фидерные устройства. М. Радио и связь, 1981, с. 12). К излучателям магнитного типа относятся все виды петлевых, шунтовых, щелевых, рамочных и т.п. излучателей. Вибраторы установлены вертикально над металлическим экраном, симметрично относительно его центра на двух взаимно перпендикулярных диаметрах. Вибраторы, расположенные на одном диаметре, установлены зеркально друг относительно друга и разнесены на расстояние, составляющее 0,4 0,5 от минимальной длины волны рабочего диапазона волн λ_min. В центре экрана установлен дополнительный вибратор магнитного типа, подключенный к тракту питания второго канала и выполненный симметричным в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, которые совмещены с диаметрами металлического экрана, на которых установлены четыре вибратора первого канала. Точки подключения первого и второго трактов питания к соответствующим вибраторам разнесены по вертикали на расстояние, составляющее не менее четверти высоты вибраторов, подключенных к тракту первого канала питания.

Вибраторы, подключенные к первому и второму трактам питания, могут быть установлены либо на одной стороне металлического экрана, либо на противоположных.

В частном случае вибраторы, подключенные к первому тракту питания, могут быть выполнены в виде петлевых вибраторов.

Указанная новая совокупность существенных признаков обеспечивает возможность широкополосной работы антенны в дуплексном режиме на одной частоте и одной поляризации первого и второго каналов. В азимутальной плоскости оба канала имеют одинаковые амплитудные характеристики излучения (ненаправленные) и одинаковые поляризационные структуры (линейные вертикальные), чем достигаются одинаковые энергетические условия работы двух каналов с одним неориентированным в пространстве корреспондентом. Требуемая развязка каналов в таких условиях работы достигается применением излучателей магнитного типа, выбором условий их взаимного размещения и возбуждения.

На фиг. 1 представлена антенна при расположении излучателей первого и второго каналов на противоположных сторонах экрана; на фиг. 2 и 3 варианты построения излучателей первого и второго каналов соответственно; на фиг. 4 - вариант построения тракта питания первого канала; на фиг. 5 антенна при установке излучателей первого и второго каналов на одной стороне экрана; на фиг. 6 вариант построения излучателя второго канала; на фиг. 7 эскизы макетов предлагаемой антенны; на фиг. 8 10 результаты экспериментальных исследований.

Предлагаемое устройство, показанное на фиг. 1, состоит из металлического экрана 1, который для удобства размещения трактов питания может быть выполнен в виде полого цилиндра высотой k. На взаимно перпендикулярных диаметрах экрана 1 симметрично относительно его центра установлены четыре излучателя магнитного типа 2, которые в частном случае могут быть выполнены в виде петлевых вибраторов высотой h каждый. Каждый из вибраторов 2 с помощью коаксиального фидера 3 подключен к тракту питания первого канала. Вибраторы 2, установленные на одном диаметре экрана 1, ориентированы зеркально друг к другу и разнесены на расстояние D (0,4 0,5) λ_min. В центре экрана установлен также излучатель магнитного типа 4, который с помощью коаксиального фидера 5 подключен к тракту питания второго канала. На фиг. 1 излучатель 4 установлен на обратной стороне экрана 1 по отношению к излучателям 2. При таком размещении обеспечивается разнос по вертикали точек питания вибраторов первого и второго каналов на расстояние k, которое должно быть не менее 0,25 h. Конструкция излучателя 4 в двух взаимно перпендикулярных вертикальных плоскостях симметрична, и эти плоскости симметрии совмещены с диагоналями экрана, на которых установлены излучатели 2 первого канала.

На фиг. 2 и 3 показаны возможные конструкции излучателей для первого канала (фиг. 2) и второго канала (фиг. 3). Подробное описание и правила выбора размеров конструкции излучателя, показанного на фиг. 2, известны (Широкополосные УКВ вибраторы. Сб. Радиотехника и связь. СПб, НТОРЭС им. А. С. Попова, 1992, с. 81, 82, рис. 2).

Помимо удобства питания таких излучателей, путем выбора соотношений элементов их конструкций H, b, a, d (фиг. 2) можно обеспечить работу антенны в широком диапазоне частот с высоким качеством согласования (КБВ≥0,4). Аналогично выбором геометрии излучателя 4 (фиг. 3) H, d, α можно минимизировать его размеры при одновременном достижении требуемой диапазонности по согласованию. Причем в такой конструкции легко реализуется требование по обеспечению ее симметрии в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Правила выбора размеров элементов конструкции излучателя 4 описаны в книге Айзенберг Г. З. и др. Антенны УКВ. Часть I. М. Связь, 1977, с. 180 - 187.

Излучатель, показанный на фиг. 2, представляет собой петлевой вибратор, в котором для обеспечения требуемой диапазонности к одному плечу трубчатого проводника подключена металлическая пластина. Излучатель, показанный на фиг. 3, представляет собой металлический конус, обращенный вершиной, к которой подключен центральный проводник фидера к экрану. По периметру основания конуса в точках, лежащих на двух взаимно перпендикулярных диаметрах, подключены вертикальные проводники (шунты), нижними концами замкнутые на экран.

На фиг. 4 показан вариант построения системы питания излучателей 2 первого канала. Излучатели, установленные на одном диаметре, т.е. в точках а - б или а' б' (фиг. 4, а, б) запитывают следующим образом. Фидер к излучателю, установленному в точке "б" ("б'"), подключен экранной оболочкой к его проводнику, а центральный проводник фидера к экрану. В излучателе, установленном в точке "а" ("а'"), центральный проводник фидера подключен непосредственно к проводнику излучателя, а экранная оболочка фидера к металлическому экрану 1 (фиг. 4, б). При таком включении достигается противофазное питание излучателей в каждой паре. Для достижения равноамплитудного деления подводимой мощности и достижения 90^o сдвига фаз в точках с с' в тракт питания включен блок согласующе-фазирующего устройства. Схема блока, показанная на фиг. 4, в, включает 3-дБ делитель мощности и фазовращатель на 90^o. Принципы построения этих элементов общеизвестны (Справочник по элементам полосковой техники. /Под ред. Фельдштейна А.Л. М. Связь, 1973). На фиг. 4 показаны также примеры выбора параметров фидера (волнового сопротивления r ) на различных участках схемы питания, при которых достигается требуемое качество согласования.

На фиг. 5 показан вариант размещения излучателей обоих каналов на одной стороне экрана. В этом варианте для обеспечения необходимого условия разноса точек питания излучателей первого и второго каналов на расстояние к ≥ 0,25 h излучатель 5 второго канала, устанавливаемый в центре, может быть выполнен по схеме, показанной на фиг. 6. Излучатель является осесимметричным вибратором магнитного типа. При заданном диапазоне частот требуемое качество согласования такого излучателя определяется соответствующим выбором его геометрических размеров d₁, d₂, d₃, l₁, l₂, l₃, l₄.

Теоретическое обоснование зависимости соотношений указанных размеров на параметры излучателя данного типа изложены в книге Антенны. Часть I. /Под ред. Муравьева Ю. К. Л. ВАС, с.259 271, а практические конструкции антенн такого типа описаны в книге Гвоздев И. Н. Муравьев Ю. К. и др. Характеристики антенн радиосистем связи. Л. ВАС, 1978, с. 186 190.

Предлагаемая дуплексная антенна работает следующим образом.

При установке четырех излучателей первого канала вертикально относительно экрана и возбуждении их с 90^o фазовым сдвигом обеспечивается формирование ненаправленной в азимутальной плоскости амплитудной диаграммы с вертикально поляризованным полем. В силу симметрии системы, в центре экрана поле, наведенное от каждого из четырех вибраторов, взаимно компенсируется. Следовательно, и на вибраторе, установленном в центре экрана, токи, наводимые полями четверки вибраторов, будут взаимно компенсироваться. Эти условия будут выполнены в случае симметрии центрального вибратора относительно четверки периферийных и строгой противофазности полей от противолежащей пары вибраторов первого канала. Последнее выполняется автоматически за счет зеркальной установки каждой пары петлевых вибраторов первого канала и способа их возбуждения, описанного выше.

Для снижения паразитных наводок полей вибраторов первого канала на центральный вибратор второго канала из-за возможного несоблюдения строгой симметрии конструкции их фазовые центры (точки возбуждения) разнесены по вертикали на величину не менее 0,25 от высоты вибраторов первого канала.

Ненаправленное излучение в азимутальной плоскости вибраторов первого канала будет обеспечиваться во всем рабочем диапазоне только в случае, если расстояние между противолежащими вибраторами не превышает 0,5 λ_min. В противном случае ДН будет приобретать интерференционный характер. В тоже время при уменьшении разноса вибраторов снижается степень развязки каналов. Поэтому разнос (0,4 0,5) λ_min следует считать оптимальным. Дополнительно увеличение степени развязки следует ожидать благодаря тому, что при высоких значениях КБВ (что легко достигается в излучателях магнитного типа) обеспечивается фильтрация паразитных внеполосных излучений. Указанные свойства излучателей магнитного типа в совокупности с другими признаками предлагаемого устройства и обуславливают дуплексную работу антенны на одной поляризации и частоте с возможностью ее использования в значительном частотном интервале.

Теоретические предпосылки проверены в ходе экспериментальных сравнительных измерений предлагаемой антенны и прототипа.

Исследования включали измерение степени развязки трактов дуплексной антенны, качества согласования (КБВ) и диаграмм направленности.

Измерения проводились для двух вариантов исполнения антенны: с двухсторонним расположением излучателей первого и второго трактов на экране (вариант 1 на фиг. 7) и с односторонним расположением (вариант 2 на фиг. 7).

Кроме того, измерения выполнялись на макете антенны прототипа (вариант 3 фиг. 7).

На фиг. 7 показаны основные конструктивные размеры макетов исследуемых излучателей. Система питания четверки излучателей устанавливалась в полости экрана, выполненного в виде полого цилиндра высотой 250 мм. Измерения проводились в частотном диапазоне 300 600 МГц. С помощью измерителя комплексных коэффициентов передачи РЧ-11 измерялось переходное затухание между излучателями первого и второго каналов. Качество согласования оценивалось по величине КБВ, измеряемого также прибором РЧ-11, путем подключения к нему антенны кабелем РК-50 длиной 3 м. Измерение ДН проводилось в плоскостях E и H путем установки антенны на вращающейся платформе на высоте 5 м. Приемная антенна размещалась также на высоте 5 м на удалении 20 м от исследуемой.

Результаты измерений ДН, развязки В и КБВ показаны соответственно на фиг. 8 10. Цифрами 1, 2 и 3 отмечены результаты измерений соответственно для 1, 2 и 3-го вариантов макета. На фиг. 8 ДН, показанные сплошной линией, соответствуют излучателю второго тракта, пунктир четверке излучателей первого тракта.

Из полученных результатов следует, что предлагаемая антенна имеет выигрыш по развязке по сравнению с прототипов на 20 30 дБ при установке излучателей на противоположных сторонах экрана и на 8 15 дБ при установке на одной стороне экрана.

Согласование обеспечивается во всем диапазоне на уровне не хуже КБВ - 0,6. ДН в плоскостях E и H для двух трактов практически одинаковы.

Полученные результаты подтверждают возможность дуплексной работы антенны на одной частоте и с одинаковой поляризацией двух трактов при одновременном достижении требуемой развязки трактов и качества согласования в широком диапазоне частот.

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве УКВ приемо-передающей диапазонной антенны в системах ретрансляции. Цель: построение дуплексной антенны, обеспечивающей одновременную и независимую работу двух каналов на одной частоте и поляризации. Антенна состоит из металлического экрана 1, на котором установлены четыре вибратора первого канала 2, запитанные с прогрессивным 90^o фазовым сдвигом, и в центре экрана - излучателя 4 второго канала. Вибраторы представляют собой излучатели магнитного типа. Противоположные вибраторы первого канала установлены зеркально относительно друг друга. Приведены соотношения конструктивных элементов и примеры реализации вибраторов. 4 з. п. ф-лы, 10 ил.

1. Дуплексная антенна, включающая четыре вибратора, возбуждаемых с 90^o фазовым сдвигом, установленных над металлическим экраном и подключенных к тракту питания первого канала, отличающаяся тем, что вибраторы выполнены в виде излучателей магнитного типа и установлены вертиклаьно над металлическим экраном, симметрично относительно его центра на двух взаимно перпендикулярных диаметрах, вибраторы, расположенные на одном диаметре, установлены зеркально друг относительно друга и разнесены на расстояние, составляющее 0,4 0,5 минимальной длины волны рабочего диапазона волн, в центре экрана установлен дополнительный вибратор магнитного типа, подключенный к тракту питания второго канала и выполненный симметричным в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, которые совмещены с диаметрами металлического экрана, на которых установлены четыре вибратора первого канала, причем точки подключения первого и второго трактов питания к соответствующим вибраторам разнесены по вертикали. 2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что четверка вибраторов, подключенных к тракту питания первого канала, и вибратор, подключенный к тракту питания второго канала, установлены на противоположных сторонах металлического экрана. 3. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что вибраторы, подключенные к первому и второму трактам питания, установлены на одной стороне металлического экрана. 4. Антенна по п.1 и/или 2 и 3, отличающаяся тем, что вибраторы, подключенные к тракту питания первого канала, выполнены в форме петлевых вибраторов. 5. Антенна по п. 1 и/или 2 4, отличающаяся тем, что точки подключения вибраторов к первому и второму каналам питания разнесены по вертикали друг относительно друга на расстояние, составляющее не менее четверти от высоты вибраторов, подключенных к первому тракту питания.