ВСЕНАПРАВЛЕННАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА Российский патент 2003 года по МПК H01Q21/20 

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено, в частности, для использования в качестве передающей антенны для телевизионного вещания преимущественно в метровых диапазонах волн.

Для телевизионного вещания обычно требуются антенны, всенаправленные в горизонтальной плоскости, например турникетные [1]. Эти антенны имеют хорошую равномерность диаграммы направленности в горизонтальной плоскости и хорошее согласование, поскольку их вибраторы питаются со сдвигом фаз 90^o, благодаря которому в фидере происходит компенсация сигналов, отраженных от разных вибраторов.

Недостатком турникетных антенн является то, что они могут размещаться только на верху опоры. Так, на типовой телевизионной опоре высотой 180 м обычно размещается только одна турникетная антенна метрового диапазона волн.

При размещении по периметру фермы антенной опоры квадратного сечения используются решетки из панельных антенн. Панель представляет собой слабонаправленную антенну, состоящую из плоского рефлектора и одного или более симметричных вибраторов. Панели укреплены на гранях опоры так, что рефлектор находится в плоскости грани. Для компенсации отражений соседние панели в каждом этаже питаются со сдвигом фаз 90^o. Для улучшения равномерности диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, нарушенной упомянутым сдвигом фаз, каждая из панелей смещена вдоль грани опоры относительно середины грани [2] . Во избежание ухудшения равномерности диаграммы в горизонтальной плоскости сечение опоры не может быть выполнено относительно большим. В то же время из-за интенсивного развития телевизионного вещания в России оказались заняты места в верхней части опор с относительно небольшими размерами поперечного сечения, изначально предназначенные для размещения телевизионных антенн, а средства для строительства новых опор, как правило, отсутствуют. Поэтому новые антенны должны размещаться на участках опоры, расположенных ниже, с большими размерами поперечных сечений.

Известно [3], что для обеспечения равномерности диаграммы направленности в горизонтальной плоскости антенная решетка, размещаемая вокруг опоры с увеличенными размерами поперечного сечения, должна содержать большее количество элементов решетки в каждом этаже.

Известна всенаправленная антенная решетка с круговой симметрией, элементы которой расположены на цилиндрической поверхности, этажи решетки разнесены вдоль оси упомянутой цилиндрической поверхности, а каждый этаж представляет собой круговое кольцо, причем угловые расстояния между фазовыми центрами элементов решетки, расположенных по упомянутому кольцу, равны 2π/N, где N - число элементов решетки в этаже; каждый элемент решетки представляет собой линейно поляризованный направленный излучатель; элементы одного этажа сдвинуты относительно элементов другого этажа на угол, равный 2π/(NN_эт), где N_эт - число этажей решетки [4] (прототип).

В известном устройстве не предусмотрено улучшение согласования за счет фазовых сдвигов между элементами решетки. Для устройства, описанного в [4], это несущественно, т.к. в нем передатчик размещен внутри антенной решетки, поэтому длина фидера невелика, и повторы на экранах телевизионных приемников из-за недостаточного согласования фидера передатчика с антенной не появляются благодаря малой длине упомянутого фидера. Однако размещение мощного передатчика метровых волн внутри антенной решетки на опоре в большинстве случаев затруднительно; передатчик обычно размещается внутри технического здания, и длина фидера при этом достаточно велика, так что для исключения повторов согласование должно быть высоким. Введение фазовых сдвигов между излучателями этажа ухудшает равномерность диаграммы направленности в горизонтальной плоскости.

Предлагаемым изобретением решается задача улучшения согласования при сохранении равномерности диаграммы направленности в горизонтальной плоскости.

Для достижения этого технического результата в известной всенаправленной антенной решетке с поворотной симметрией, у которой элементы расположены на цилиндрической поверхности, этажи разнесены вдоль оси упомянутой цилиндрической поверхности, каждый этаж представляет собой круговое кольцо, угловые расстояния между фазовыми центрами элементов решетки, расположенных по упомянутому кольцу, равны 2π/N, где N - число элементов решетки в этаже, каждый элемент представляет собой линейно поляризованный направленный излучатель, элементы одного этажа сдвинуты относительно элементов другого этажа на угол, равный 2π/(NN_эт), где N_эт - число этажей решетки, для решения упомянутой задачи питание элементов в этаже решетки выполнено с фазовыми сдвигами между соседними элементами величиной 2π/N, питание элементов одного этажа относительно элементов другого этажа выполнено с фазовыми сдвигами 2π/(NN_эт), а максимумы диаграмм направленности элементов в горизонтальной плоскости повернуты относительно радиуса решетки, проходящего через фазовый центр данного элемента, на угол, равный

где λ - длина волны на средней частоте диапазона всенаправленной антенной решетки;
ρ - ее радиус.

В варианте всенаправленной антенной решетки элементы решетки выполнены с шириной диаграммы направленности в горизонтальной плоскости по половинному полю, равной 2π/N, при которой достигается наилучшая равномерность диаграммы направленности решетки.

В другом варианте всенаправленная антенная решетка состоит из двух или более коаксиальных цилиндрических поверхностей разных радиусов, расположенных одна под другой, причем питание элементов решетки, расположенных на разных цилиндрических поверхностях, выполнено с дополнительным фазовым сдвигом, общим для всех элементов данной цилиндрической поверхности, равным фазовому сдвигу электромагнитной волны на средней частоте диапазона всенаправленной антенной решетки на расстоянии, равном разности радиусов упомянутых цилиндрических поверхностей.

Еще в одном варианте исполнения всенаправленной антенной решетки питание элементов решетки, расположенных на разных этажах, выполнено с дополнительным фазовым сдвигом, общим для всех элементов данного этажа. Такие дополнительные фазовые сдвиги между этажами решетки требуются, в частности, для обеспечения требуемого угла наклона максимума диаграммы направленности в вертикальной плоскости.

На фиг.1 изображен схематически этаж предлагаемой всенаправленной антенной решетки, вид сверху; в данном случае решетка содержит 8 элементов в этаже.

На фиг. 2 предлагаемая антенная решетка изображена схематически в аксанометрии; эта решетка содержит три этажа по 6 элементов в этаже.

На фиг.3 представлены диаграммы, иллюстрирующие взаимную компенсацию отраженных сигналов.

На фиг.4 приведен чертеж, представляющий геометрические соотношения для получения величины угла поворота максимума диаграммы направленности элемента решетки.

На фиг.5 приведены диаграммы направленности в горизонтальной плоскости: сплошная кривая - предлагаемой всенаправленной антенной решетки, штриховая - элемента предлагаемой всенаправленной антенной решетки, пунктирная - этажа прототипа, в котором введены фазовые сдвиги между элементами.

Всенаправленная антенная решетка (фиг.1 и 2) представляет собой антенную решетку с поворотной симметрией (фиг.1), у которой элементы 1 расположены на цилиндрической поверхности, этажи 2 разнесены вдоль оси упомянутой цилиндрической поверхности (фиг.2), каждый этаж представляет собой круговое кольцо, угловые расстояния между фазовыми центрами элементов решетки, расположенных по упомянутому кольцу, равны 2π/N, где N - число элементов решетки в этаже (на фиг. 1 N=8, на фиг.2 N=6). Каждый элемент 1 представляет собой линейно поляризованный направленный излучатель (антенна типа "волновой канал", логопериодическая антенна или подрешетка из одного-двух вибраторов с общим рефлектором). Элементы решетки на фиг.1 и 2 показаны точками, помещенными в их фазовые центры. Стрелками показаны направления максимумов диаграмм направленности элементов решетки. Элементы одного этажа всенаправленной антенной решетки сдвинуты относительно элементов другого этажа на угол δ = 2π(NN_эт), где N_эт - число этажей решетки (на фиг.2 N_эт=3). Питание элементов в этаже решетки выполнено с фазовыми сдвигами между соседними элементами величиной 2π/N, питание элементов одного этажа относительно элементов другого этажа выполнено с фазовыми сдвигами 2π/(NN_эт). Фазовые сдвиги в цепях питания обеспечены известным способом (изменением длин распределительных фидеров, при требовании широкой полосы - с помощью матриц Батлера [3]). Максимумы диаграмм направленности элементов в горизонтальной плоскости повернуты относительно радиуса решетки, проходящего через фазовый центр данного элемента, на углы

где λ - длина волны на средней частоте диапазона всенаправленной антенной решетки;
ρ - ее радиус (фиг.1).

Указанный поворот выполнен одним из известных способов (механический поворот антенны относительно радиуса решетки или, при использовании в качестве элемента решетки подрешетки, содержащей более одного вибратора, разнесенных по горизонтали, заданием сдвига фаз между ними с помощью распределительных фидеров разной длины).

В предпочтительном варианте исполнения всенаправленной антенной решетки элементы решетки выполнены с шириной диаграммы направленности в горизонтальной плоскости по половинному полю, равной 2π/N. Такая ширина диаграммы направленности может быть получена известными методами по известным соотношениям [5].

В другом варианте всенаправленная антенная решетка состоит из двух или более коаксиальных цилиндрических поверхностей разных радиусов, расположенных одна под другой, причем питание элементов решетки, расположенных на разных цилиндрических поверхностях, выполнено с дополнительным фазовым сдвигом, общим для всех элементов данной цилиндрической поверхности, равным фазовому сдвигу электромагнитной волны на средней частоте диапазона всенаправленной антенной решетки на расстоянии, равном разности радиусов упомянутых цилиндрических поверхностей. Упомянутый фазовый сдвиг достигнут выполнением распределительных фидеров: длина фидеров элементов решетки, расположенных на цилиндрической поверхности большего радиуса, выполнена большей на величину (R₂-R₁)/ξ, где R₂ - больший из каких-либо двух радиусов; R₁ - меньший радиус; ξ - коэффициент укорочения волны в фидере.

Еще в одном варианте исполнения всенаправленной антенной решетки питание элементов решетки, расположенных на разных этажах, выполнено с дополнительным фазовым сдвигом, общим для всех элементов данного этажа. Такие дополнительные фазовые сдвиги между этажами решетки требуются, в частности, для обеспечения заданного угла наклона максимума диаграммы направленности в вертикальной плоскости. Для обеспечения этих фазовых сдвигов распределительные фидеры элементов, расположенных на разных этажах, выполнены разной длины [5].

Всенаправленная антенная решетка работает следующим образом.

При питании этажа решетки сигналами равной амплитудой со сдвигом фаз между соседними элементами α = 2π/N отраженные сигналы от элементов этажа компенсируются, что иллюстрируется на фиг.3. Сигналы, отраженные от соседних элементов, сложатся с фазовыми сдвигами β = 2α, поскольку фазовый сдвиг α испытывает как сигнал падающей волны, так и сигнал отраженной волны. Как видно на фиг. 3, векторная сумма всех отраженных сигналов этажа при упомянутых сдвигах фаз равна нулю (на фиг.3 слева N=10, справа - N=16). Если фазовые сдвиги реализованы фидерными линиями разной длины, компенсация в диапазоне частот осуществляется приближенно. Расчеты показывают, что при заданном допуске частотный диапазон компенсации тем шире, чем больше N.

На чертеже, представленном на фиг.4, видно, что величина угла ψ, выбранная в соответствии с вышеприведенным соотношением, обеспечивает синфазность сигналов соседних элементов решетки, излученных в направлении VW. Это направление равноудалено от направлений максимумов излучений (показаны жирными стрелками) элементов 1 решетки (их фазовые центры, как и ранее, обозначены точками; штриховые линии - направления радиусов решетки). В направлении VW поля от обоих элементов равны и их интерференция наиболее опасна; синфазность полей предотвращает появление глубоких интерференционных провалов. Поворот этажей на угол δ с соответствующим фазовым сдвигом обеспечивает дальнейшее улучшение равномерности диаграммы направленности в горизонтальной плоскости. Фазовый сдвиг между этажами 2π/(NN_эт) обеспечивает синфазность фазовых фронтов, создаваемых этажами. На фиг.5 сплошной линией показана диаграмма направленности в горизонтальной плоскости предлагаемой всенаправленной антенной решетки. Для сравнения пунктиром показана диаграмма направленности такой же решетки с такими же сдвигами фаз между элементами этажа, но без поворота диаграмм направленности элементов, без сдвига этажей, соответственно без сдвига фаз между этажами (она совпадает с диаграммой направленности одного этажа прототипа, в котором введены сдвиги фаз между элементами для компенсации отражений). Штриховой линией показана повернутая диаграмма направленности элемента решетки в горизонтальной плоскости.

В варианте исполнения всенаправленной антенной решетки с шириной диаграммы направленности элемента по уровню 0,5, равной 2π/N, уровень излучения решетки в направлении между максимумами излучения элементов приблизительно равен максимальному уровню излучения решетки. Это обстоятельство улучшает равномерность диаграммы направленности решетки. Действительно, исследования и расчеты показывают, что наилучшая равномерность диаграммы направленности решетки при данном числе элементов в этаже получается при указанной выше ширине диаграммы направленности элемента, или соответственно наоборот - для получения диаграммы направленности с заданной неравномерностью требуется минимальное число элементов для антенной решетки данного радиуса.

Вариант всенаправленной антенной решетки с цилиндрическими поверхностями разных радиусов удобен для размещения на опорах конической или пирамидальной формы, при этом поверхности большего радиуса расположены ниже поверхностей меньшего радиуса. Сдвиг фаз, создаваемый удлинением фидеров элементов, расположенных на цилиндрической поверхности большего радиуса, обеспечивает синфазность фронтов излучения в диапазоне частот, поскольку запаздывание сигнала в фидере на всех частотах точно соответствует опережению фронта волны из-за увеличения радиуса. Число упомянутых цилиндрических поверхностей разного радиуса может совпадать с числом этажей или быть меньше него.

Работа варианта всенаправленной антенной решетки со сдвигом фаз между этажами аналогична работе известных дециметровых и метровых передающих телевизионных антенн, имеющих такие фазовые сдвиги.

Использованные источники
1. Патент США 5497166, кл. Н 01 Q 21/20 (нац. кл. 343/795), опубл. 05.03.1996.

2. Патент Великобритании 832564, кл. Н 01 Q 21/20 (нац. кл. 40(7), АЕ 4(А 232:А 4:АХ:Н:Р1:Р2:Х), AE 6 D, опубл. 30.05.1957.

3. Бузов А.Л. УКВ антенны для радиосвязи с подвижными объектами, радиовещания и телевидения. - М.: Радио и связь, 1997.-293 с.

4. Патент США 4899162, кл. Н 01 Q 21/20 (нац. кл. 343/700), опубл. 06.02.1990.

5. Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ / Под ред. Г.З. Айзенберга. В 2-х ч. Ч.2 - М.: Связь, 1977. - 288 с.

Использование: в радиотехнике, в частности для телевизионного вещания на ОВЧ. Сущность изобретения: во всенаправленной антенной решетке с поворотной симметрией, у которой элементы расположены на цилиндрической поверхности, этажи разнесены вдоль оси упомянутой цилиндрической поверхности, каждый этаж представляет собой круговое кольцо, угловые расстояния между фазовыми центрами элементов решетки, расположенных по упомянутому кольцу, равны 2π/N, где N - число элементов решетки в этаже, каждый элемент представляет собой линейно поляризованный направленный излучатель, элементы одного этажа сдвинуты относительно элементов другого этажа на угол, равный 2π/(NN_эт), где N_эт - число этажей решетки, для улучшения согласования при сохранении равномерности диаграммы направленности в горизонтальной плоскости питание элементов в этаже решетки выполнено с фазовыми сдвигами между соседними элементами величиной 2π/N, питание элементов одного этажа относительно элементов другого этажа выполнено с фазовыми сдвигами 2π/(NN_эт), а максимумы диаграмм направленности элементов в горизонтальной плоскости повернуты относительно радиуса решетки, проходящего через фазовый центр данного элемента, на угол, равный

где λ - длина волны на средней частоте диапазона всенаправленной антенной решетки, а ρ - ее радиус. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Всенаправленная антенная решетка с поворотной симметрией, у которой элементы расположены на цилиндрической поверхности, этажи разнесены вдоль оси упомянутой цилиндрической поверхности, каждый этаж представляет собой круговое кольцо, угловые расстояния между фазовыми центрами элементов решетки, расположенных по упомянутому кольцу, равны 2π/N, где N - число элементов решетки в этаже, каждый элемент представляет собой линейно поляризованный направленный излучатель, элементы одного этажа сдвинуты относительно элементов другого этажа на угол, равный 2π/(NN_зт), где N_эт - число этажей решетки, отличающаяся тем, что питание элементов в этаже решетки выполнено с фазовыми сдвигами между соседними элементами величиной 2π/N, питание элементов одного этажа относительно элементов другого этажа выполнено с фазовыми сдвигами 2π/(NN_эт), а максимумы диаграмм направленности элементов в горизонтальной плоскости повернуты относительно радиуса цилиндрической поверхности, проходящего через фазовый центр данного элемента, на угол, равный arcsin

где λ - длина волны на средней частоте диапазона всенаправленной антенной решетки;
ρ - радиус упомянутой цилиндрической поверхности. 2. Всенаправленная антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что ее элементы выполнены с шириной диаграммы направленности в горизонтальной плоскости по половинному полю, равной 2π/N. 3. Всенаправленная антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что она состоит из двух или более коаксиальных цилиндрических поверхностей разных радиусов, расположенных одна под другой, причем питание элементов решетки, расположенных на разных цилиндрических поверхностях, выполнено с дополнительным фазовым сдвигом, общим для всех элементов данной цилиндрической поверхности, равным фазовому сдвигу электромагнитной волны на средней частоте диапазона всенаправленной антенной решетки на расстоянии, равном разности радиусов упомянутых цилиндрических поверхностей. 4. Всенаправленная антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что питание элементов решетки, расположенных на разных этажах, выполнено с дополнительным фазовым сдвигом, общим для всех элементов данного этажа.