АНТЕННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ УСТАНОВКИ НА ПОЯСЕ БАШНИ Российский патент 1998 года по МПК H01Q3/00 

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в качестве передающей или приемной антенны для УКВ-ЧМ вещания, телевизионного вещания на метровых и дециметровых волнах, в пейджерных станциях, в транковых радиотелефонных системах, в качестве антенн базовых станций сотовой связи, в радиопеленгаторах и в других радиотехнических системах. Предлагаемая антенная система решает проблему, когда требуется высоко поднятая над поверхностью Земли антенна с круговой диаграммой направленности (ДН) в горизонтальной плоскости, но для размещения антенны нет свободного места на вершине башни.

Метровые и дециметровые волны, на которых осуществляется УКВ-ЧМ вещание, передача телевизионных или иных сигналов, распространяются преимущественно в пределах прямой видимости. Поэтому с целью увеличения дальности действия станции передающие антенны устанавливаются на высоких инженерных сооружениях в виде мачт на оттяжках или свободно стоящих мачт, называемых радиобашнями. Высоты мачт или башен при этом могут быть от 180 до 300 м и более. Далее, для определенности, будем полагать, что антенная система устанавливается на решетчатой башне. Однако следует иметь в виду, что предлагаемые технические решения применимы при использовании как башен, так и любых других ажурных сооружений.

Диаграмма направленности передающей антенной системы в горизонтальной плоскости для УКВ-ЧМ вещания, в пейджерных станциях и во многих других случаях должна быть, как правило, круговой. Не вызывает затруднений удовлетворить этому требованию, разместив антенну с круговой ДН на вершине башни. Проблема возникает тогда, когда на башне необходимо разместить две или более антенн, когда вторую и последующие антенны размещают ниже вершины башни, вокруг ствола.

Конструкция башни вызывает искажения ДН антенны в горизонтальной плоскости. Вследствие затенения, интерференции полей волн, излучаемых антенной, и волн, отраженных от башни, в ДН появляются направления с малым уровнем напряженности поля или даже с нулевым значением напряженности поля.

С целью исключения влияния башни на характеристики антенны обычно в антеннах применяют плоские рефлекторы, устраняющие излучение радиоволн в направлении башни. Но тогда для формирования круговой ДН приходится использовать несколько таких антенн, образуя при этом кольцевую антенную решетку. Однако увеличение количества излучателей приводит к усложнению фидерной системы, к существенному увеличению весовой и ветровой нагрузок на башню.

Известна телевизионная антенная система, содержащая систему распределения мощности и излучатели в виде антенн панельной конструкции [Фрадин А.З. Антенно-фидерные устройства.- М.: Связь, 1977, стр. 224]. Антенны установлены по периметру башни квадратного сечения, по четыре антенны на каждом этаже. В антенне панельной конструкции одиночный полуволновый или сдвоенные волновые цилиндрические симметричные вибраторы компонуются вместе с отражающим экраном и крепятся параллельно граням опорной призмы.

Известная антенная система имеет недостаток, заключающийся в том, что при разносе антенн на этаже на расстояние более одной длины волны ДН антенной системы в горизонтальной плоскости имеет глубокие интерференционные минимумы. Поэтому такие антенные системы не могут быть применены для установки на башне в сечениях ствола с размерами более одной длины волны.

Другой недостаток известной антенной системы заключается в том, что она имеет большой вес и большую парусность. Вес одной панельной антенны для диапазона 66 - 74 МГц достигает 400 кг, а вес всей антенной системы, состоящей из нескольких этажей, составляет несколько тонн.

Из известных антенных систем наиболее близкой по технической сущности является антенная система для установки на ажурной мачте квадратного или треугольного сечения, опоры (пояса) которой строго вертикальны [Antenne soustava pro rozmerne antenni nosica. Kostohryz Vaclav, Vesela Anna, Kozlik Miroslav, Kadlec Josef, Plecity Jindich. А.С. 217775, ЧССР. Заявл. 10.06.80 N 4080-80, опубл. 15.06.84 МКИ H 01 Q 3/00].

Антенная система по А.С. 217775 содержит систему распределения мощности и излучатели; центры излучателей расположены поэтажно в плоскостях, перпендикулярных вертикальной оси мачты, и в этих плоскостях размещены в углах квадрата или прямоугольника; причем плоскости возникших при этом чертежей указанных фигур пересекают пояс мачты. Антенная решетка построена так, что центры излучателей находятся на четырех вертикальных прямых линиях.

Эта антенная система в значительной мере устраняет указанный первым недостаток первой известной антенной системы. А именно, она может быть установлена на башне в сечении ствола с размерами более одной длины волны при выполнении указанного выше условия, что пояс башни вертикален.

Однако антенная система А.С. 217775 обладает недостатком, заключающимся в том, что она не может быть реализована на секциях башни, у которых пояса имеют наклон относительно поверхности Земли.

Типовые конструкции радиотелевизионных башен описаны в книге Г.А.Савицкого "Антенные устройства", Связьиздат, М., 1961. На типовых башнях пояса самых верхних секций строго вертикальны. Однако, эти секции башни, как правило, уже заняты антеннами второго телевизионного канала и антеннами УКВ-ЧМ вещания. Ниже же расположенные секции свободно стоящих башен таковы, что их пояса наклонены относительно вертикали. Если попытаться вторую известную антенную систему разместить на наклонном поясе, то оказывается, что с изменением высоты (с переходом с этажа на этаж) изменяются угловые координаты излучателей и расстояния излучателей относительно пояса. Некоторые расстояния уменьшаются, другие увеличиваются. Вследствие нарушения центральной симметрии в расположении излучателей относительно оси пояса искажаются ДН в горизонтальной плоскости у каждой этажной решетки и у антенной системы в целом. Более того, при большом количестве этажей поверхности некоторых фигур, построенных на центрах излучателей, уже не пересекают пояс башни. Указанные недостатки и первой, и второй известных антенных систем устраняются настоящим изобретением, существо которого заключается в том, что в антенной системе, содержащей систему распределения мощности и излучатели, образующие антенную решетку, излучатели установлены вокруг одного из поясов башни с образованием центрами излучателей ряда разнесенных вдоль оси пояса ячеек, ось пояса пронизывает каждую из ячеек, при этом ячейки наклонены относительно поверхности Земли, а проекции центров ячеек на горизонтальную плоскость смещены относительно друг друга. Предпочтительно излучатели расположить так, чтобы ячейки лежали в плоскостях, перпендикулярных к осям секций пояса, вокруг которого размещены соответствующие излучатели.

Предпочтительно также, чтобы излучатели, центры которых образуют одну и ту же ячейку, были удалены от оси соответствующей секции пояса на равные расстояния.

Изобретение предполагает возможность такого размещения излучателей, при котором ячейки, образуемые центрами антенн на разных этажах, оказываются развернутыми относительно друг друга вокруг оси пояса на угол, равный полному углу, поделенному на удвоенное количество излучателей в ячейке, или на меньший угол, вокруг оси пояса.

Предложенная антенная система допускает разное количество излучателей в различных ячейках.

В предпочтительном варианте реализации антенной системы излучатели выполнены в виде симметричных полуволновых вибраторов. При этом обеспечивается минимальный вес антенной системы и ее минимальная парусность.

В другом предпочтительном варианте излучатели антенной системы выполнены в виде шлейф-вибраторов, причем между шлейф-вибратором и поясом, параллельно оси пояса, установлены полые металлические цилиндры; шлейф-вибраторы смонтированы на цилиндрах, при этом расстояние между шлейф-вибратором и осью пояса равно одной трети длины волны. В данном варианте системы ДМ и кабели (между ДМ и излучателями), входящие в линейную решетку, размещены внутри цилиндра. Цилиндр защищает ДМ и кабели от внешних механических воздействий.

Реализация антенной системы согласно изобретению позволяет установить ее на наклонных секциях пояса башни с получением при этом круговой ДН в горизонтальной плоскости.

Изобретение поясняется графическими изображениями на фиг. 1 - 3.

На фиг. 1 изображен аксонометрический вид двух секций башни с вибраторами, установленными на поясе согласно изобретению.

На фиг. 2 представлено расположение ячеек, образованных центрами излучателей, относительно двух секций пояса; пояс имеет перелом в точке O.

На фиг. 3 приведены диаграммы направленности в горизонтальной плоскости антенной системы согласно изобретению и гипотетического этажа излучателей, центр которого смещен относительно оси пояса.

Обратимся к фиг. 1, на которой изображены две секции решетчатой башни. На каждой из секций установлено по четыре вибратора 1 согласно изобретению. Секции решетчатой башни состоят из слегка наклоненных относительно поверхности Земли опор 2, называемых секциями пояса башни. Секции поясов скреплены между собой распорками 3. Дополнительно пояса могут крепиться друг к другу или к распоркам с помощью раскосов (на фиг. 1 не показано).

Антенная система для установки на поясе башни состоит из системы распределения мощности (на фиг. 1 не показана) и излучателей 1. Система распределения мощности состоит из делителей мощности (ДМ) и фидеров; в частности, система может состоять из одного коаксиального ДМ и радиочастотных кабелей. Выбор места размещения ДМ производится из условий удобства монтажа и обслуживания ДМ и обеспечения наименьшей длины фидеров. Делители могут быть размещены непосредственно на поясе башни или на ближайшей площадке на башне. Излучатели расположены вокруг одного из поясов башни.

Фигуры, образуемые центрами излучателей на разных этажах, могут быть подобными друг другу. Тогда количество излучателей в решетке равно произведению количества излучателей на этаже и количества этажей. На фиг. 1 показан фрагмент антенной системы, включающий в себя два этажа излучателей, по 4 излучателя на каждом этаже. Вообще, количество этажей в антенной системе определяется исходя из условия обеспечения заданного коэффициента усиления антенны и формирования требуемой формы ДН в вертикальной плоскости. Характерным количеством этажей являются величины 4, 6, 8, 12, 16, 24. Количество излучателей на этаже должно быть не менее трех. Предпочтительно выбирать его равным 4.

Количество излучателей на разных этажах может быть разным. Например, на всех этажах, кроме верхнего, может быть размещено по 4 излучателя, а на верхнем - 3 излучателя. Различное количество излучателей на разных этажах может оказаться необходимым в связи с особенностями конструкции секций башни.

В качестве излучателя может быть использован полуволновый или волновый симметричный вибратор, шлейф-вибратор, вибратор с рефлектором, вибратор с директором, антенна типа "волновой канал", щелевая антенна, рамочная антенна, вообще, любой слабонаправленный в горизонтальной плоскости излучатель.

Расстояния между излучателями в виде вибраторов и поясом башни выбираются менее или равными 0,4 длины волны, причем на разных этажах эти расстояния могут быть различными. Расстояния между излучателями в виде антенны "волновой канал" или аналогичной антенной и поясом башни может составлять несколько длин волн.

Если соединить между собой геометрические центры излучателей на каждом этаже, то в пространстве образуется ряд ячеек. Предпочтительно, чтобы ячейки были плоскими. С целью получения круговой ДН необходимо, чтобы ячейка имела правильную форму: равностороннего треугольника, квадрата, шестиугольника. Ячейки наклонены относительно поверхности Земли. В том случае, когда ячейки расположены в плоскостях, перпендикулярных соответствующим секциям упомянутого пояса, углы наклона ячеек относительно поверхности Земли равны углам между осями секций и вертикалью. В том случае, когда ячейки расположены в плоскостях, перпендикулярных соответствующим секциям упомянутого пояса, углы наклона ячеек относительно поверхности Земли равны углам наклона секции пояса относительно вертикали. (Выше под углом наклона ячейки понимается угол между нормалью к поверхности ячейки и вертикалью). В общем случае наклона поверхности ячейки предполагается, что вершины ячейки находятся на разной высоте относительно Земли. На общем виде, представленном на фиг. 1, пояса 2 верхней и нижней секций башни имеют равные наклоны. Центры вибраторов расположены в плоскостях, перпендикулярных оси пояса, на котором они закреплены. Ось пояса пронизывает в центре верхнюю и нижнюю ячейки. В общем случае, когда речь идет о наклоне поверхности ячейки, предполагается, что вершины ячейки находятся на разной высоте относительно Земли.

На фиг. 2 представлена ситуация, когда пояс имеет излом в точке O. По отношению к вертикали секция 2 пояса имеет несколько больший угол наклона β, чем угол наклона α секции 1. Соответственно, ячейка B₁ B₂ B₃ B₄, образованная центрами излучателей B₁, B₂, B₃, B₄, может иметь несколько больший наклон относительно поверхности Земли, чем ячейка A₁, A₂, A₃, A₄, образованная центрами излучателей A₁, A₂, A₃, A₄. Проекции центров ячеек A₀, B₀ на горизонтальную плоскость смещены относительно друг друга. При этом величина смещения центров такова, что ось пояса безусловно пронизывает все ячейки.

Предпочтительно, чтобы излучатели, принадлежащие одной и той же ячейке, были удалены от оси пояса на равные расстояния. На фиг. 3 приведены ДН в горизонтальной плоскости решетки из 4 излучателей, расположенных на одном этаже. Решетка находится в сечении ствола башни с размерами 3880х3880 мм. Диаметры поясов 1, 2, 3 и 4 равны 245 мм. ДН "в" соответствует ситуации, представленной на фиг. 3в. В местной полярной системе координат (ρ,ϕ) с началом в точке O на оси пояса 1 координаты излучателей равны: A₁ (620 мм, 0^o), A₂ (620 мм, 90^o), A₃ (620 мм, 180^o), A₄ (620 мм, 270^o). Пояс 1 башни пронизывает ячейку, образованную излучателями A₁, A₂, A₃, A₄ таким образом, что ось пояса проходит через центр O ячейки A₁ A₂ A₃ A₄. ДН "с" соответствует ситуации, представленной на фиг. 3с. В этом случае координаты излучателей равны: A₁ (930 мм, 0^o), A₂ (691 мм, 63^o), A₃ (310 мм, 180^o), A₄ (691 мм, 297^o). Пояс 1 башни пронизывает ячейку A₁ A₂ A₃ A₄ таким образом, что ось пояса проходит через точку O, не совпадающую с центром ячейки. Точка O смещена вдоль диагонали A₁ - A₃ так, что отношение длин отрезков A₁O : OA₃ равно 3 : 1. Как видно из графиков "в" и "с" на фиг. 3, если излучатели A₁ - A₄ удалены от пояса 1 башни на равные расстояния и образуют квадрат, то ДН близка к круговой. Если излучатели A₁ - A₄ удалены от оси пояса 1 башни на разные расстояния, то ДН существенно отличается от круговой. В последнем случае в ДН наблюдаются "провалы" до величины 10 дБ.

Совокупность излучателей одного этажа может быть развернута относительно совокупности излучателей другого этажа на некоторый угол вокруг оси пояса. Этот угол может быть любым, поскольку разворот этажной решетки вокруг оси пояса практически не сказывается на форме ДН. Если излучатели расположены на этажах на равных угловых расстояниях друг от друга, то разворот ячеек вокруг пояса может осуществляться в пределах половины углового периода решетки, равного углу 360^o, поделенному на удвоенное количество излучателей на этаже. Свобода в угловом развороте этажной решетки может быть использована, если на поясе или вблизи пояса находятся какие-либо конструктивные элементы башни, влияющие на характеристики отдельного излучателя.

Выше рассматривалась антенная система на башне с сечением ствола в виде квадрата. В действительности она может быть установлена на башнях с сечением ствола в виде треугольника, прямоугольника, шестиугольника, вообще, на решетчатой башне с поперечным сечением ствола любой формы.

В режиме передачи высокочастотные сигналы от передатчика подаются на вход системы распределения мощности, с выхода которой сигналы с наперед заданными амплитудами и фазами поступают на излучатели. Вследствие интерференции радиоволн, излучаемых с учетом влияния башни каждым излучателем, в пространстве формируется ДН антенной системы, установленной на поясе башни.

По данному изобретению реализована антенная система пейджерной станции, работающей на частоте 159,6375 МГц с вертикальной поляризацией поля излучения. Антенная система смонтирована на типовой телевизионной башне высотой 180 м для второго ветрового района (типовой проект башни N 3803КИ Института "Промстальконструкция", г. Москва). Такие башни установлены в большей части областных центров и в крупных городах бывшего СССР.

Типовая конструкция свободно стоящей башни предназначена для размещения на ее вершине турникетной антенны, работающей в первом телевизионном диапазоне. Верхняя часть башни выполнена в виде призмы размером 1,75х1,75х25 м. Вокруг призмы расположена антенная система второго телевизионного диапазона и уголковая антенна для УКВ-ЧМ вещания в диапазоне 67 - 73 МГц. Таким образом, вся верхняя часть башни занята. Свободными для размещения дополнительных антенн на башне остаются позиции ниже 136 м. Антенная система упомянутой пейджерной станции смонтирована на двух секциях между сечениями 21 - 21 и 23 - 23 на "Схеме металлоконструкций", т.е. между высотными отметками 128 м и 136 м. На указанных высотах размер сечения ствола башни изменяется от 4144х4144 мм до 3436х3436 мм. Диаметр поясов 245 мм.

Система распределения мощности реализованной антенной системы включает в себя пять ДМ на 4 направления каждый и радиочастотные кабели. Один из делителей расположен на площадке в сечении 24 - 24. Четыре других делителя смонтированы в полых трубах, причем каждый из них запитывает линейную решетку из четырех параллельно соединенных синфазных излучателей. Четыре линейки излучателей запитаны синфазно через делитель, расположенный на площадке. Всего в антенной системе 16 излучателей, расположенных на четырех этажах, по четыре излучателя на этаже. В качестве излучателей использованы шлейф-вибраторы. Излучатели смонтированы на упомянутых выше четырех трубах. Трубы закреплены на поясе с помощью хомутов так, что оси труб параллельны оси пояса. Расстояния между вибраторами и поясом башни равны 620 мм. В местной полярной системе координат с центром на оси пояса угловые координаты излучателей равны 0, 90, 180, 270 градусов. При этом за начало угловой координаты принято направление из точки на оси башни в точку на оси пояса, вокруг которого размещены излучатели. Расстояние между этажами излучателей равно одной длине волны.

По данным измерений ДН реализованной антенной системы в горизонтальной плоскости близка к кругу.

Применение изобретения
Изобретение может быть использовано для создания антенных систем, устанавливаемых на башнях с обеспечением круговой диаграммы направленности. В частности, его применение весьма эффективно на тех антенных башнях, верхние секции которых уже заняты, а более низкие и, следовательно, более широкие, свободны.

Поскольку каждый из излучателей не требует плоского рефлектора, то реализуемые по данному изобретению антенные системы имеют существенно меньший вес, малую парусность по сравнению с традиционными антенными системами. Так, например, вес 16-элементной антенной решетки для УКВ-ЧМ вещания в III диапазоне (100 - 108 МГц) около 25 кг, в то время как антенная система на основе панельных антенн имеет вес в несколько тонн. Предложенная антенная система менее трудоемка в изготовлении, более удобна и требует меньших затрат при транспортировании и монтаже ее на башне.

Антенные системы по данному изобретению могут быть размещены наряду с уже реализованными антеннами на существующих радиотелевизионных башнях или мачтах. При этом отпадает необходимость в строительстве в областных центрах и крупных городах дорогостоящих инженерных сооружений для установки новых антенн с целью обеспечения развития высококачественного УКВ-ЧМ и телевизионного вещания. Реализация данного изобретения позволит использовать существующие в настоящее время башни для ввода в эксплуатацию пейджерных станций, транковых радиотелефонных систем, других систем профессиональной связи.

Предлагаемая антенная система (АС) может быть использована для УКВ-ЧМ, телевизионного вещания, в пейджерных станциях и других системах метровых и дециметровых волн. Решает проблему, когда требуется высоко поднятая над поверхностью Земли АС с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости, но для ее размещения нет свободного места на вершине башни. АС содержит систему распределения мощности и излучатели (И), расположенные вокруг пояса (П) с образованием центрами излучателей ряда разнесенных вдоль оси пояса и слегка наклоненных относительно поверхности Земли ячеек (Я), причем пояс пронизывает каждую из ячеек. Предлагается плоскости Я располагать перпендикулярно П, а И монтировать на равном расстоянии от оси П, в качестве И использовать симметричные вибраторы. Допускается разворот И одного этажа относительно И другого этажа. Подробно описан реализованный вариант АС с И в виде шлейф-вибраторов. Предложенная АС выгодно отличается малым весом, на порядок меньшим веса традиционных АС с панельными И, малой парусностью. 6 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Антенная система для установки на поясе башни, содержащая систему распределения мощности и излучатели, расположенные вокруг пояса с образованием центрами излучателей ряда разнесенных вдоль оси пояса ячеек, при этом пояс пронизывает каждую из ячеек, отличающаяся тем, что ячейки наклонены относительно поверхности Земли, а проекции центров ячеек на горизонтальную плоскость смещены относительно друг друга. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что ячейки расположены в плоскостях, причем плоскости ячеек перпендикулярны соответствующим секциям пояса. 3. Система по п.1, отличающаяся тем, что излучатели, принадлежащие одной и той же ячейке, удалены от оси пояса на равные расстояния. 4. Система по п.2, отличающаяся тем, что излучатели, принадлежащие одной ячейке, повернуты относительно излучателей другой ячейки на угол, равный полному углу, поделенному на удвоенное количество излучателей в ячейке, или на меньший угол, вокруг оси пояса. 5. Система по п. 1, отличающаяся тем, что в разных ячейках размещено различное количество излучателей. 6. Система по п. 1, отличающаяся тем, что излучатели выполнены в виде симметричных вибраторов. 7. Система по п. 1, отличающаяся тем, что излучатели выполнены в виде шлейф-вибраторов, причем между шлейф-вибраторами и поясом, параллельно оси пояса, установлены металлические цилиндры, шлейф-вибраторы смонтированы на цилиндрах, при этом расстояние между шлейф-вибратором и осью пояса равно одной трети длины волны.