АНТЕННА С КРУГОВОЙ ДИАГРАММОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ В АЗИМУТАЛЬНОЙ ПЛОСКОСТИ Российский патент 2001 года по МПК H01Q11/02 

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенной технике, и может быть использовано в радиосистемах передачи информации, в частности в сотовых системах связи в качестве антенны базовых станций, расположенных в центре сот.

Известны ненаправленные в азимутальной плоскости антенны, представляющие собой несимметричные вибраторы с противовесом (1 - Вершков М.В., Миротворский О. Б. "Судовые антенны" Л., Судостроение, 1990 г., с. 191) и симметричные вибраторы, установленные на мачтах (патент РФ на изобретение N 2101810, кл. H 01 Q 9/18, БИ N 1, 1998 г., ч. 2). Эти антенны, длина которых не превышает длины волны (λ), обладают малой направленностью в вертикальной плоскости. Линейные синфазные антенные решетки из симметричных вибраторов (1) имеют низкий коэффициент полезного действия (кпд) из-за потерь в разветвленной диаграммообразующей схеме, причем чем больше длина антенны (больше направленность в вертикальной плоскости), тем меньше кпд (меньше эффективность) антенны.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому устройству является антенная структура (патент США N 5339089, кл. H 01 Q 1/38), состоящая из двух проводящих частей, каждая из которых представляет собой ленточный проводник, имеющий чередующиеся широкие и узкие участки. При этом проводящие части расположены параллельно друг другу таким образом, что узкий участок одной части расположен строго над широким участком другой части. Такая антенная структура представляет собой полосковую линию, ширина полосков которой изменяется по периодическому закону (меандровой функции) с периодом Т. Ток в такой линии можно представить в виде суммы бегущих волн тока (К. Уолтер. "Антенны бегущей волны", М. Энергия, 1970 г.). Если Т < 2λ, то в спектре бегущих волн существует одна ускоренная волна с волновым числом β = 2π/λ(1-T/λ), которая обуславливает излучение под углом θ = arccos (1 - Тλ) к оси антенны, положительное направление которой отсчитывается от точки возбуждения антенны.

В антенной структуре - прототипе, как в антенне в виде последовательно соединенных одинаковых излучателей, амплитуда излучающего тока в виде ускоренной волны уменьшается к концу антенны по экспоненте с коэффициентом затухания
γ = 1/(2L) ln P_L/P₀,
где L - длина антенны;
P₀ - мощность в начале антенны;
P_L- мощность в конце антенны.

Известно, что неравномерность распределения тока вдоль линейной антенны приводит к уменьшению направленности (тем самым и эффективности) антенной структуры.

Кроме того, в антенной структуре - прототипе ширина полосков изменяется скачком в месте соединения широких и узких участков излучающих частей, что создает трудности в обеспечении нужного согласования. Чем длиннее антенна (чем она эффективнее), тем сложнее достичь приемлемого согласования, что объясняет узкополосность длинных, антенных структур - прототипов. Так антенная структура длиной 10 λ работает в 6% полосе частот, а длиной 6 λ - в 10% полосе частот. При этом усложняется форма широкого участка излучающей части: ей придается форма желоба, что снижает технологичность изготовления излучающих частей.

Целью изобретения является повышение коэффициента усиления антенны с круговой диаграммой направленности в азимутальной плоскости.

Поставленная цель достигается тем, что в антенне с круговой диаграммой направленности в азимутальной плоскости, содержащей два расположенных в параллельных плоскостях полоска, ширина которых изменяется вдоль антенны, а полоски сдвинуты относительно друг друга вдоль антенны на половину периода (Т), ширина (Δ₁) первого и (Δ₂) второго полосков изменяется по квазипериодическим законам:
Δ₁ = Δ₀g(z)f(z)
Δ₂ = Δ₀g(z+0,5T)f(z+0,5T)
где Δ₀ - нормирующий множитель; Δ₀≤ λ;
λ - длина волны;
z - координата вдоль антенны с началом в точке возбуждения полоска;
g(z) - плавно меняющаяся непрерывная функция;
f(z) - периодическая функция с периодом Т, T = λ(1-cosθ);
θ - угол максимального излучения, отсчитываемый от оси антенны (с вершиной в точке возбуждения);
причем g(z)f(z)≤1.

В частном случае полоски на конце антенны могут быть гальванически соединены.

Отличительным признаком предлагаемой антенны от указанной выше известной, наиболее близкой к ней антенной структуры, является изменение ширины полосков по вышеприведенному квазипериодическому закону.

Благодаря этому отличительному признаку обеспечивается более равномерное распределение тока вдоль антенны, что приводит к повышению ее направленности в вертикальной плоскости, а следовательно, и к увеличению коэффициента усиления антенны.

Предлагаемая антенна с круговой диаграммой направленности в азимутальной плоскости представлена на чертеже и содержит два полоска 1, 2, расположенных в параллельных плоскостях на расстоянии d друг от друга, и питающий фидер 3. Полоски 1, 2 сдвинуты относительно друг друга вдоль антенны на половину периода Т. Ширина Δ₁ и Δ₂ соответственно полосков 1, 2 изменяется вдоль антенны по квазипериодическим законам:
Δ₁ = Δ₀g(z)f(z);
Δ₂ = Δ₀g(z+0,5T)f(z+0,5T);
где Δ₀ - нормирующий множитель; Δ₀≤ λ;
λ - длина волны;
z - координата вдоль антенны с началом в точке возбуждения полоска;
g(z) - плавно меняющаяся непрерывная функция;
f(z) - периодическая функция с периодом Т; T = λ(1-cosθ);
θ - угол максимального излучения, отсчитываемый от оси антенны /с вершиной в точке возбуждения/;
причем g(z)f(z)≤1.

Расстояние d между полосками 1, 2 выбирается в пределах 0,001λ < d < 0,5λ, в зависимости от требований к диаграмме направленности антенны в азимутальной плоскости и входного сопротивления антенны.

Плавно изменяющаяся функция g(z) выбирается таким образом, чтобы амплитуда ускоренной волны тока была более равномерной, чем амплитуда ускоренной волны тока в прототипе, например g(z) = e^δz,
где 0<δ≤α, α = 1/L, L - длина антенны.

Ширина полосков 1, 2 может изменяться, например, соответственно
f(z)=1+asin (2π/Т)z; где 0<a≤1.

Возбуждение предлагаемой антенны осуществляется подключением симметричного фидера питания в поперечном сечении антенны, где волновое сопротивление полосковой линии совпадает с волновым сопротивлением симметричного фидера питания. При этом исключается зависимость согласования от длины антенны.

Полоски 1, 2 могут быть гальванически соединены на концах антенны для улучшения согласования.

В качестве примера рассмотрим антенну длиной 12 λ и расстоянием d=0,05λ между полосками 1, 2. Ширина Δ₁ и Δ₂ соответственно полосков 1, 2 изменяется вдоль антенны по законам:
Δ₁ = 0,3λe^δz[1+0,875sin((2π/λ)z)]
и
Δ₂ = 0,3λe^δ(z+0,5T)[1+0,875sin(2π/λ(z+0,5T))], δ = 1/12λ.
При этом такая антенна имеет следующие электрические параметры:
Коэффициент усиления - 12 дБ;
Полоса рабочих частот по уровню КСВн = 2 - 10%.

Ширина диаграммы направленности /ДН/ < 6^o в вертикальной плоскости;
Неравномерность ДН в горизонтальной плоскости ±0,2 дБ.

Таким образом, изменение ширины полосков по предложенным квазипериодическим законам обеспечивает повышение направленности в вертикальной плоскости антенны с круговой диаграммой направленности в азимутальной плоскости при высоком уровне согласования, т.е. приводит к увеличению коэффициента усиления антенны. Использование предлагаемого устройства позволит также повысить надежность и энергетику канала радиосвязи с неориентированным по азимуту корреспондентом, например, в системах подвижной связи при малой себестоимости и высокой технологичности антенны.

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве всенаправленной в азимутальной плоскости приемно-передающей антенны в радиосистемах передачи информации. Техническим результатом является повышение коэффициента усиления антенны с круговой диаграммой направленности в азимутальной плоскости. Предлагаемая антенна выполнена в виде двух полосков 1, 2, расположенных в параллельных плоскостях. Ширина Δ₁ и Δ₂ первого и второго полосков 1, 2 соответственно изменяется вдоль антенны по квазипериодическому закону. Полоски сдвинуты относительно друг друга вдоль антенны на полпериода. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Антенна с круговой диаграммой направленности в азимутальной плоскости, содержащая два расположенных в параллельных плоскостях полоска, ширина которых изменяется вдоль антенны, причем полоски сдвинуты относительно друг друга вдоль антенны на половину периода Т, отличающаяся тем, что ширина Δ₁ первого и Δ₂ второго полосков изменяется по квазипериодическим законам
Δ₁=Δ₀g(z)f(z);
Δ₂=Δ₀g(z+0,5Т)f(z+0,5Т);
где Δ₀ - нормирующий множитель, Δ₀≤ λ;
λ - длина волны;
z - координата вдоль антенны с началом в точке возбуждения полоска;
g(z) - плавно меняющаяся непрерывная функция;
f(z) - периодическая функция с периодом Т, T = λ(1-cosθ);
θ - угол максимального излучения, отсчитываемый от оси антенны, с вершиной в точке возбуждения;
причем g(z)f(z)≤1. 2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что ширина первого и второго полосков изменяется в соответствии с g(z)=e^δz, где 0<δ≤α, α = 1/L, L - длина антенны. 3. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что ширина первого и второго полосков изменяется в соответствии с f(z)=1+аsin(2π/Т)z, где 0<a<1. 4. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что на конце антенны полоски гальванически соединены.