АНТЕННА Российский патент 2003 года по МПК H01Q9/00 H01Q21/00 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в антенно-фидерных устройствах в качестве направленной антенны линейной поляризации.

Известна антенна типа "двойной квадрат", содержащая две ромбообразные секции, по периметру которых расположены проводники, при этом проводники одной ромбообразной секции подсоединены к проводникам другой ромбообразной секции с перекрещиванием проводников, расположенных в одинаковом с ними направлении по периметру смежной ромбообразной секции и с промежутком между перекрещивающимися проводниками [1].

В этом техническом решении ромбообразные секции расположены в параллельных плоскостях, причем одна из ромбообразных секций выполняет функцию вибратора, выполненного в виде проволочного квадрата с длиной стороны λ/4, где λ - средняя длина волны, и общей длиной периметра секции 1λ. Вторая ромбообразная секция выполняет функцию рефлектора. Общая длина периметров двух секций равна 2λ. Перекрещивание проводников с промежутком между ними в этом техническом решении используется только для пространственного размещения ромбообразных секций в параллельных плоскостях. Такая антенна является направленной, но не имеет высокого коэффициента направленного действия (КНД).

Наиболее близкой к заявленной является антенна, содержащая две ромбообразные секции и, по меньшей мере, одну дополнительную ромбообразную секцию, расположенные в одной плоскости, подсоединенные смежно в ряд друг к другу, по периметру которых расположены проводники, причем их длина выбрана удовлетворяющей условию образования точек короткого замыкания в вершинах ромбообразных секций, расположенных противоположно относительно места соединения ромбообразных секций на максимальном расстоянии друг от друга на общей продольной оси ряда ромбообразных секций, причем в месте соединения двух ромбообразных секций между их проводниками выполнен зазор, предназначенный для подключения к проводникам двухпроводного фидера, при этом проводники дополнительной ромбообразной секции подсоединены к проводникам, расположенным в одинаковом с ними направлении по периметру смежной одной ромбообразной секции, с перекрещиванием проводников между этими ромбообразными секциями, причем упомянутое перекрещивание проводников выполнено с промежутком между ними [2].

Такая антенна позволяет теоретически наращивать в необходимом количестве число ромбообразных секций для получения узкой диаграммы направленности (ДН).

Однако на практике число ромбообразных секций ограничено из-за потерь энергии на излучение.

Решаемая изобретением задача - улучшение технико-эксплуатационных параметров антенны.

Технический результат, который может быть получен при выполнении антенны, - увеличение эффективной апертуры антенны при равномерном распределении тока по ромбообразным секциям, что приводит к сужению диаграммы направленности и увеличению КНД.

Дополнительный технический результат, который получен при выполнении антенны, - расширение рабочей полосы частот.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в антенне, содержащей две ромбообразные секции и, по меньшей мере, одну дополнительную ромбообразную секцию, расположенные в одной плоскости, подсоединенные смежно в ряд друг к другу, по периметру которых расположены проводники, длина которых выбрана удовлетворяющей условию образования точек короткого замыкания в вершинах ромбообразных секций, расположенных противоположно относительно места соединения ромбообразных секций на максимальном расстоянии друг от друга на общей продольной оси ряда ромбообразных секций, причем в месте соединения двух ромбообразных секций между их проводниками выполнен зазор, расположенный поперек относительно общей продольной оси и предназначенный для подключения двухпроводного фидера к проводникам, при этом проводники дополнительной ромбообразной секции подсоединены к проводникам, расположенным в одинаковом с ними направлении по периметру смежной одной ромбообразной секции, с перекрещиванием проводников между этими ромбообразными секциями, причем упомянутое перекрещивание проводников выполнено с промежутком между ними, согласно изобретению углы двух ромбообразных секций и дополнительной ромбообразной секции, обращенные к общей продольной оси ряда ромбообразных секций, выполнены тупыми.

Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:
- общее количество упомянутых ромбообразных секций было выбрано нечетным;
- общее количество упомянутых ромбообразных секций было выбрано четным;
- упомянутые углы ромбообразных секций, обращенные к общей продольной оси и расположенные ближе к зазору двух ромбообразных секций, предназначенному для подключения к проводникам двухпроводного фидера, были выбраны большими, чем упомянутые углы ромбообразных секций, расположенных дальше от зазора двух ромбообразных секций;
- был введен плоский экран, расположенный параллельно плоскости расположения упомянутых ромбообразных секций, и были введены стойки, подсоединенные одними концами в вершинах ромбообразных секций, расположенных на максимальном расстоянии друг от друга на общей продольной оси, а другими концами к плоскому экрану, при этом плоский экран выполнен прямоугольным, его длина не меньше расстояния между вершинами ромбообразных секций, расположенных на максимальном расстоянии друг от друга вдоль общей продольной оси, а ширина выполнена большей, чем λ/2 и чем длина малой диагонали ромбообразной секции, причем расстояние S между плоскостью расположения плоского экрана и плоскостью расположения ромбообразных секций выбрано удовлетворяющим условию 0,15≤S/λ≤0,27, где λ - средняя длина волны;
- были введены пластинчатые рефлекторы, расположенные по обеим сторонам от крайних ромбообразных секций и габаритный размер которых в ортогональной плоскости к плоскому экрану выполнен меньшим, чем расстояние S от плоскости плоского экрана до плоскости расположения ромбообразных секций;
- был введен пластинчатый директор, расположенный симметрично и параллельно ромбообразным секциям, максимальная длина пластинчатого директора выбрана равной суммарной длине диагоналей ромбообразных секций вдоль общей продольной оси, а ромбообразные секции расположены между плоским экраном и пластинчатым директором.

За счет выбора углов ромбообразных секций удалось решить поставленную задачу с достижением указанного технического результата.

Указанные преимущества, в также особенности настоящего изобретения поясняются лучшими вариантами его осуществления со ссылками на прилагаемые фигуры.

Фигура 1 схематично изображает антенну с числом ромбообразных секций, равным трем;
фиг.2 - то же, что фиг.1, с числом ромбообразных секций, равным четырем;
фиг.3 - то же, что фиг.1, с числом ромбообразных секций, равным шести;
фиг.4 - то же, что фиг.2, с плоским экраном;
фиг.5 - различные конструкции рефлекторов;
фиг. 6 - конструкция плоского экрана и директора без показа между ними ромбообразных секций.

Антенна (фиг.1) содержит две ромбообразные секции 2 и, по меньшей мере, одну дополнительную ромбообразную секцию 3. Две ромбообразные секции 2 и, по меньшей мере, одна дополнительная ромбообразная секция 3 расположены в одной плоскости, подсоединены смежно в ряд друг к другу, и по их периметру расположены проводники 4. Длина проводников 4 выбрана удовлетворяющей условию образования точек короткого замыкания в вершинах 5 упомянутых ромбообразных секций 2, 3, расположенных противоположно относительно зазора 6 на максимальном расстоянии друг от друга на общей продольной оси Х ряда ромбообразных секций 2, 3. Для этого длина проводников 4 сторон упомянутых ромбообразных секций 2, 3 выбрана ≅ λ/4. В месте соединения двух ромбообразных секций 2 между их проводниками 4 выполнен зазор 6. Вершины 7 углов между проводниками в зазоре 6 двух ромбообразных секций 2 предназначены для подключения к ним двухпроводного фидера (на фиг.1-4 не показан).

Проводники 4 дополнительной ромбообразной секции 3 подсоединены к проводникам 4, расположенным в одинаковом с ними направлении по периметру смежной ромбообразной секции 2, с перекрещиванием проводников 4 между этими ромбообразными секциями 2, 3. Упомянутое перекрещивание проводников 4 (показано на фиг.1-4 дугой) выполнено с промежутком между ними без образования гальванического контакта.

Углы α₁ двух ромбообразных секций 2 и угол α₂ дополнительной ромбообразной секции 3, обращенные к общей продольной оси Х ряда ромбообразных секций 2, 3, выполнены тупыми, преимущественно больше 90^o и меньше 145^o.

За счет выполнения углов α₁ и α₂ тупыми удается увеличить размер Ai (где i - количество ромбообразных секций 2, 3 вдоль общей продольной оси Х ряда) антенны при прочих равных условиях - одинаковых длине стороны и числе упомянутых ромбообразных секций 2, 3 и улучшить равномерность распределения тока по проводникам 4 в каждой ромбообразной секции 2, 3, удаленной от точек введения эдс возбуждения (от зазора 6), что в совокупности сужает диаграмму направленности антенны.

Если общее количество упомянутых ромбообразных секций 2, 3 выбрано нечетным (фиг.1), то в целом улучшается широкополосность антенны.

Если общее количество упомянутых ромбообразных секций 2, 3 выбрано четным (фиг.2, 3), то образуется из этих ромбообразных секций 2, 3 стандартный излучатель, но с повышенным КНД. Увеличение числа дополнительных ромбообразных секций 3 (фиг.2, 3) позволяет увеличить КНД.

Для дополнительного расширения рабочей полосы углы α₁ двух ромбообразных секций 2, расположенных ближе к зазору 6 двух ромбообразных секций 2, предназначенному для подключения к проводникам 4 двухпроводного фидера, выбраны большими, чем углы α₂ ромбообразных секций 3, расположенных дальше от зазора 6 двух ромбообразных секций 2 (фиг.1, 2). Если, например, общее число ромбообразных секций 2, 3 равно шести (фиг.3), то α₁>α₂>α₃.

Введение плоского экрана 8 (фиг.4), расположенного параллельно плоскости расположения упомянутых ромбообразных секций 2, 3, позволяет сузить диаграмму направленности антенны. Введение стоек 9, подсоединенных одними концами в вершинах 5 ромбообразных секций 2 и 3 (фиг.1) или дополнительных ромбообразных секций 3 (фиг.4), а другими концами к плоскому экрану 8, позволяет обеспечить развязку антенны, т.к. стойки 9 подсоединены к крайним ромбообразным секциям 3 в точках нулевого потенциала. Плоский экран 8 (фиг.4, 6) выполнен прямоугольным. Его длина L не меньше расстояния Аi между вершинами 5 дополнительных ромбообразных секций 3, расположенных на максимальном расстоянии друг от друга вдоль общей продольной оси X. Ширина В плоского экрана 8 выполнена большей, чем λ/2 (или длина малой диагонали ромбообразной секции 2 или 3). Расстояние S между плоскостью расположения плоского экрана 8 и плоскостью расположения ромбообразных секций 2, 3 выбрана удовлетворяющей условию 0,15≤S/λ≤0,27.

Для дополнительного сужения диаграммы направленности в устройство могут быть введены пластинчатые рефлекторы 10 (фиг.5). Пластинчатые рефлекторы 10 расположены по обеим сторонам от крайних дополнительных ромбообразных секций 3, и их габаритный размер d в ортогональной плоскости к плоскому экрану 8 выбран меньшим, чем расстояние S от плоскости плоского экрана 8 до плоскости расположения ромбообразных секций 2, 3 (фиг.5).

Для дополнительного сужения диаграммы направленности в устройство может быть введен пластинчатый директор 11 (фиг.6), расположенный симметрично и параллельно упомянутым ромбообразным секциям 2, 3. Максимальная длина пластинчатого директора 11 выбрана равной суммарной длине диагоналей упомянутых ромбообразных секций 2, 3 вдоль общей продольной оси Х ряда. Ромбообразные секции 2, 3 расположены между плоским экраном 8 и пластинчатым директором 11 (на фиг.6 для упрощения ромбообразные секции 2, 3 не показаны).

Как видно из фиг.1-3, особенностью антенны является удобство подключения двухпроводного фидера к вершинам 7. Симметричная относительно поперечной оси Y часть ромбообразных секций 2, 3 может быть без ухудшения качества антенны просто удалена. Тогда питание антенны осуществляется только с одной стороны самой крайней ромбообразной секции 2 для всех имеющихся ромбообразных секций 3 ряда.

Работает антенна следующим образом.

Под воздействием эдс, приложенной в зазоре 6, возникают токи на проводниках 4 ромбообразных секций 2, 3 (фиг.1-4). Благодаря точкам нулевого потенциала - вершинам 5 одной из двух ромбообразных секций 2 и дополнительной ромбообразной секции 3 (фиг.1) или вершинам 5 двух крайних дополнительных ромбообразных секций 3 (фиг. 2-4), местам перекрещивания проводников 4 смежных ромбообразных секций 2 и дополнительных ромбообразных секций 3, а также выбранной длине сторон проводников 4 упомянутых ромбообразных секций 2, 3, выбранной ≅ λ/4, все отрезки проводников 4 оказываются сфазированы с ориентацией вектора Е параллельно оси Y.

Антенна при этом функционирует как своеобразная фазированная антенная решетка (ФАР), имеющая одну пару точек питания в отличие от обычных ФАР. ДН антенны оказывается тем уже, чем больше у нее размер Аi.

Плоский экран 8 (фиг.4, 6) не только традиционно перекрывает излучение в задней полуплоскости пространства, но и дополнительно сужает ДН в Н-плоскости поляризации за счет действия пластинчатого рефлектора 10.

Пластинчатый директор 11 (фиг.6) по принципу действия аналогичен известным директорам антенн типа волновой канал. В предлагаемом варианте выполнения антенны пластинчатый директор 11 сужает ДН в Е-плоскости поляризации сразу для всей антенны благодаря своей конструкции (пластины) длиной Аi с подобранной шириной b.

Предпочтительные пределы изменения размеров, показанных на фиг.1-6, следующие:
зазор
Заявленное техническое решение в свою очередь можно неоднократно использовать как элемент антенной решетки на основе известных из уровня техники приемов и методов.

Наиболее успешно заявленная антенна может быть промышленно применима в качестве направленной антенны линейной поляризации.

Источники информации
1. К. Ротхаммель, "Антенны", сокр. Перевод с немецкого Т.Э. Кренкель, "Энергия", Москва, 1967 г., стр. 88-96, рис. 2-63.

2. Авторское свидетельство СССР 138277, 21 а⁴, 46₀₃, опубл. 1961 г.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в антенно-фидерных устройствах в качестве направленной антенны линейной поляризации. Техническим результатом изобретения является сужение диаграммы направленности и увеличение КНД. Устройство содержит две ромбообразные секции и, по меньшей мере, одну дополнительную ромбообразную секцию, подсоединенные смежно в ряд друг к другу. По периметру ромбообразных секций расположены проводники. В месте соединения двух ромбообразных секций между их проводниками выполнен зазор, предназначенный для подключения к проводникам двухпроводного фидера. Проводники дополнительной ромбообразной секции подсоединены к проводникам, расположенным в одинаковом с ними направлении по периметру смежной ромбообразной секции, с перекрещиванием. Углы двух ромбообразных секций и дополнительной ромбообразной секции, обращенные к общей продольной оси ряда ромбообразных секций, выполнены тупыми. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Антенна, содержащая две ромбообразные секции и, по меньшей мере, одну дополнительную ромбообразную секцию, расположенные в одной плоскости, подсоединенные смежно в ряд друг к другу, по периметру которых расположены проводники, длина которых выбрана удовлетворяющей условию образования точек короткого замыкания в вершинах ромбообразных секций, расположенных противоположно относительно места соединения ромбообразных секций на максимальном расстоянии друг от друга на общей продольной оси ряда ромбообразных секций, причем в месте соединения двух ромбообразных секций между их проводниками выполнен зазор, расположенный поперек относительно общей продольной оси и предназначенный для подключения двупроводного фидера к проводникам, при этом проводники дополнительной ромбообразной секции подсоединены к проводникам, расположенным в одинаковом с ними направлении по периметру смежной одной ромбообразной секции, с перекрещиванием проводников между этими ромбообразными секциями, причем упомянутое перекрещивание проводников выполнено с промежутком между ними, отличающаяся тем, что углы двух ромбообразных секций и дополнительной ромбообразной секции, обращенные к общей продольной оси ряда ромбообразных секций, выполнены тупыми. 2. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что общее количество упомянутых ромбообразных секций выбрано нечетным. 3. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что общее количество упомянутых ромбообразных секций выбрано четным. 4. Антенна по п.3, отличающаяся тем, что упомянутые углы ромбообразных секций, обращенные к общей продольной оси и расположенные ближе к зазору двух ромбообразных секций, предназначенному для подключения к проводникам двупроводного фидера, выбраны большими, чем упомянутые углы ромбообразных секций, расположенных дальше от зазора двух ромбообразных секций. 5. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что введен плоский экран, расположенный параллельно плоскости расположения упомянутых ромбообразных секций, и введены стойки, подсоединенные одними концами в вершинах ромбообразных секций, расположенных на максимальном расстоянии друг от друга на общей продольной оси, а другими концами - к плоскому экрану, при этом плоский экран выполнен прямоугольным, его длина не меньше расстояния между вершинами ромбообразных секций, расположенных на максимальном расстоянии друг от друга вдоль общей продольной оси, а ширина выполнена большей, чем λ/2 и чем длина малой диагонали ромбообразной секции, причем расстояние S между плоскостью расположения плоского экрана и плоскостью расположения ромбообразных секций выбрано удовлетворяющим условию 0,15≤S/λ≤0,27, где λ - средняя длина волны. 6. Антенна по п.5, отличающаяся тем, что введены пластинчатые рефлекторы, расположенные по обеим сторонам от крайних ромбообразных секций и габаритный размер которых в ортогональной плоскости к плоскому экрану выполнен меньшим, чем расстояние S от плоскости плоского экрана для плоскости расположения ромбообразных секций. 7. Антенна по п.5, отличающаяся тем, что введен пластинчатый директор, расположенный симметрично и параллельно ромбообразным секциям, максимальная длина пластинчатого директора выбрана равной суммарной длине диагоналей ромбообразных секций вдоль общей продольной оси, а ромбообразные секции расположены между плоским экраном и пластинчатым директором.