АНТЕННА Российский патент 2003 года по МПК H01Q3/44 

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено, в частности, для использования в качестве передающей и приемной антенн для базовых станций транкинговых систем сухопутной подвижной связи.

Для базовых станций транкинговых систем подвижной связи обычно требуются антенны с диаграммой направленности в горизонтальной плоскости, близкой к круговой. Известны антенны, содержащие по одному вертикальному вибратору в этаже, у которых все вибраторы расположены коллинеарно (соосно) друг над другом [1] . Однако у такой антенны круговая диаграмма направленности получается только при расположении антенны на верхушке опоры, где место, как правило, уже занято, а строительство новой опоры дорого и требует времени.

Известны кольцевые антенные решетки, которые размещаются вокруг опоры [2, 3]. Однако при большом соотношении размеров поперечного сечения опоры и длины волны для обеспечения близкой к круговой диаграммы направленности требуется большое количество излучателей в каждом этаже решетки, что трудоемко и дорого.

Известна антенна, содержащая по крайней мере один вертикальный вибратор и по крайней мере одну металлическую стойку опоры, параллельную вибратору, но не соосную с ним, и по крайней мере одну пару вертикальных металлических элементов, прикрепленных к ней, при этом вертикальный вибратор также закреплен на стойке опоры [4]. Эта антенна наиболее близка к предлагаемой.

Известная антенна относительно проста, т.к. содержит по одному вибратору в этаже и обеспечивает близкую к круговой диаграмму направленности при относительно тонкой стойке опоры (например, при отношении диаметра стойки к длине волны 1:10). Однако при относительно толстых стойках опоры (например, при отношении диаметра стойки к длине волны 1:4 или 1:3) близкая к круговой диаграмма направленности у известной антенны не получается.

Предлагаемым изобретением решается задача обеспечения близкой к круговой диаграммы направленности при относительно толстых стойках опоры (при отношении диаметра стойки к длине волны 1:4 и более).

Для достижения этого технического результата в известную антенну, содержащую по крайней мере один вертикальный вибратор и по крайней мере одну металлическую стойку опоры, параллельную вибратору, но не соосную с ним, и по крайней мере одну пару вертикальных металлических элементов, прикрепленных к ней, при этом вертикальный вибратор также закреплен на стойке опоры, введены дополнительно линии передачи, по одной на каждую пару вертикальных металлических элементов, так, что первый и второй вертикальные металлические элементы каждой пары соединены между собой линией передачи и согласованы с ней, причем первый вертикальный металлический элемент в каждой паре расположен ближе к вибратору, чем второй.

В варианте антенны, предназначенном для случаев, когда расстояние между стойкой и вибратором превышает длину волны, в предлагаемую антенну введены дополнительные вертикальные металлические элементы, расположенные таким образом, что совместно с первыми элементами каждой пары они образуют антенну, направленную на вибратор, а совместно со вторыми элементами каждой пары - антенну, направленную в сторону, противоположную вибратору.

На фиг.1 изображен схематически этаж предлагаемой антенны, сверху - вид сбоку, внизу - вид сверху.

На фиг.2 изображен этаж предлагаемой антенны в варианте для большого расстояния между вибратором и стойкой опоры, сверху - вид сбоку, внизу - вид сверху.

На фиг. 3 приведена диаграмма направленности в горизонтальной плоскости предлагаемой антенны в варианте для близкого расположения вибратора и стойки опоры.

На фиг. 4 приведена диаграмма направленности в горизонтальной плоскости предлагаемой антенны в варианте для дальнего расположения вибратора и стойки опоры.

Антенна (фиг. 1) содержит вертикальный вибратор 1, стойку опоры 2, три пары вертикальных металлических элементов 3 и 4, 5 и 6, 7 и 8, выполненных в виде петлевых вибраторов, линии передачи 9, 10, 11, выполненные в виде симметричных двухпроводных плоских кабелей. Вертикальные металлические элементы 3 и 4 соединены линией передачи 9 и согласованы с ней; соответственно, вертикальные металлические элементы 5 и 6 соединены линией передачи 10, а элементы 7 и 8 - линией 11. Первые вертикальные металлические элементы 3, 5, 7 расположены ближе к вертикальному вибратору 1, чем вторые вертикальные металлические элементы 4, 6, 8 соответствующих пар. Вертикальные металлические элементы 3-8 прикреплены за середину на опоре 2 при помощи металлических узлов крепления 12-17, расположенных в горизонтальной плоскости, проходящей через середины вертикальных металлических элементов. Вертикальный вибратор 1, выполненный также в виде петлевого вибратора, закреплен аналогично.

В другом варианте (фиг. 2) антенна содержит вертикальный вибратор (на фиг.2 не показан, т.к. он значительно удален от изображенной стойки опоры; в реальной конструкции он закреплен на другой стойке этой же опоры, находящейся справа от стойки опоры 2), стойку опоры 2, две пары вертикальных металлических элементов 3 и 4, 5 и 6, соединенных попарно согласованными линиями передачи 7 и 8, дополнительные вертикальные металлические элементы 9-16. Вертикальные металлические элементы 3-6 выполнены в виде петлевых вибраторов, дополнительные вертикальные металлические элементы - в виде стержней. И те, и другие прикреплены за середину к опоре 2 с помощью узлов крепления 17-20, расположенных в горизонтальной плоскости, проходящей через середины упомянутых элементов. Элементы 9, 11, 13, 15 являются рефлекторами, а элементы 10, 12, 14, 16 - директорами по отношению к элементам 3, 5, 4, 6 соответственно. Элементы 3, 9, 10, 5, 11, 12 образуют антенну, направленную на вертикальный вибратор. Эта антенна представляет собой антенную решетку из двух антенн "волновой канал", образованных соответственно элементами 3, 9, 10 и 5, 11, 12. Аналогично элементы 4, 13, 14 и 6, 15, 16 образуют антенну, направленную в сторону, противоположную направлению на вертикальный вибратор.

Предлагаемая антенна работает следующим образом (фиг.1). Радиоволны, излученные вертикальным вибратором 1, поглощаются первыми вертикальными металлическими элементами 3, 5, 7. Благодаря этому ослабляются радиоволны, достигающие поверхности стойки опоры 2, и отражения от опоры уменьшаются, благодаря чему улучшается равномерность диаграммы направленности антенны в переднем полупространстве. Радиочастотная энергия, поглощенная элементами 3, 5, 7, по линиям передачи 9, 10, 11 поступает во вторые вертикальные металлические элементы 4, 6, 8 и излучается ими, восполняя недостаток излучения позади опоры, вызванный затенением, благодаря чему улучшается равномерность диаграммы направленности в заднем полупространстве. Число пар вертикальных металлических элементов выбирается в зависимости от относительного диаметра стойки опоры 2 и расстояния от нее до вертикального вибратора 1: расстояние между вторыми вертикальными металлическими элементами должно быть не более половины длины волны; если расстояние от второго вертикального металлического элемента до вертикального вибратора не превышает половины длины волны, то достаточно одной пары вертикальных металлических элементов. Устранение интерференционных провалов в диаграмме направленности достигается выбором длин соединительных линий, обеспечивающим нужное соотношение фаз излучаемых радиоволн, что осуществляется в процессе численного эксперимента. Узлы крепления 12-17 на работу антенны практически не влияют, поскольку они находятся в плоскости симметрии. На фиг.3 представлена диаграмма направленности предлагаемой антенны (кривая 1) для длины волны 0,88 м (соответствует частоте передачи 340 МГц базовой станции транкинговой системы сухопутной подвижной связи). Диаметр стойки опоры 325 мм, т.е. 0,37 длины волны, что соответствует диаметру стойки (пояса) типовой телевизионной опоры-мачты. Расстояние от оси стойки опоры до вертикального вибратора 450 мм. Остальные размеры - в соответствии с фиг.1, выполненной с соблюдением масштаба. Кривая 2 - диаграмма направленности вертикального вибратора, расположенного на том же расстоянии (450 мм) от стойки опоры. Предлагаемая антенна в данном случае обеспечивает близкую к круговой диаграмму направленности в горизонтальной плоскости при неравномерности не хуже 0,7 (±1,5 дБ), тогда как неравномерность исходной диаграммы направленности составляет 0,22.

В варианте предлагаемой антенны по фиг.2 излучение вертикального вибратора принимается направленной антенной, образованной элементами 3, 9, 10, 5, 11, 12; благодаря этому излучение вертикального вибратора не доходит до поверхности стойки опоры 2, так что отражения от нее практически отсутствуют, что видно из диаграммы направленности, приведенной на фиг.4 (диаграмма направленности в верхней по рисунку полуплоскости, в которой находится вертикальный вибратор, гладкая и близка к окружности). Принятые электромагнитные колебания по линям передачи 7 и 8 поступают в направленную антенну, образованную элементами 4, 13, 14, 6, 15, 16 и излучаются в некотором секторе углов, противоположном направлению на вертикальный вибратор. Ширина этого сектора, т.е. ширина диаграммы направленности упомянутой направленной антенны, должна быть выбрана в зависимости от расстояния от вертикального вибратора до стойки опоры 2 - чем больше это расстояние, тем уже диаграмма направленности: уровень излучения направленной антенны при угле ϕ, соответствующем первому интерференционному минимуму суммарного излучения вертикального вибратора и упомянутой направленной антенны должен быть существенно снижен. Упомянутый угол

где λ - длина волны;
R - расстояние между вертикальным вибратором и фазовым центром упомянутой направленной антенны.

Излучение направленной антенны восполняет уменьшение уровня в упомянутом секторе углов, вызванное затенением стойкой опоры 2. Нужное соотношение фаз излучений вертикального вибратора и упомянутой направленной антенны обеспечивается выбором длины линий передачи 7 и 8, что осуществляется путем проведения численных экспериментов; нужный уровень излучения направленной антенны - тем, что обе направленные антенны (приемная и излучающая) одинаковы. На фиг.4 кривая 1 - предлагаемой антенны по фиг.2, кривая 2 - только вертикального вибратора со стойкой опоры, удаленной на такое же расстояние (2,5 м). Длина волны - 1 м, что соответствует частоте приема транкинговой системы связи (300 МГц); диаметр стойки опоры на фиг.2 такой же, как на фиг. 1, остальные размеры приблизительно соответствуют этому диаметру в масштабе чертежа фиг.2. На фиг.4 видно значительное улучшение равномерности диаграммы направленности по сравнению с исходной. В данном случае равномерность исходной диаграммы направленности (кривая 2 на фиг. 4) относительно высокая (минимум 0,7, что обычно считается вполне достаточным), однако у типовой опоры стоек несколько (в данном примере, у типовой телевизионной мачты - четыре), поэтому суммарное их воздействие было бы недопустимым. Использование у одной из стоек упомянутой типовой опоры конструкции по фиг.1, а у остальных трех - конструкции по фиг.2 обеспечит приемлемую диаграмму направленности при затратах, многократно меньших по сравнению с использованием решетки из панельных антенн, размещенных вокруг опоры (не менее 20 панельных вибраторов в этаже).

Источники информации
1. Патент США 5339089, кл. Н 01 Q 1/38 (нац. кл. 343/700), опубл. 16.08.1994.

2. Патент Великобритании 832564, кл. Н 01 Q 21/20 (нац. кл. 40(7), АЕ4 (А232:А4:АХ:Н:Р1:Р2:Х), AE 6 D, опубл. 30.05.1957.

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

4. Патент России 2120687, кл. Н 01 Q 3/44, опубл. 20.10.1998. Бюл. 29.

Изобретение относится к антенной технике для базовых станций транкинговых систем сухопутной подвижной связи. Техническим результатом является обеспечение близкой к круговой диаграммы направленности антенны при относительно толстых стойках опоры. Сущность изобретения заключается в том, что антенна содержит, по крайней мере, один вертикальный вибратор и, по крайней мере, одну металлическую стойку опоры, параллельную вибратору, но не соосную с ним, и, по крайней мере, одну пару вертикальных металлических элементов, прикрепленных к ней, при этом вертикальный вибратор также закреплен на стойке опоры. Первый и второй вертикальные металлические элементы каждой пары соединены между собой согласованными линиями передачи, причем в каждой паре первый вертикальный металлический элемент расположен ближе к вибратору, чем второй вертикальный металлический элемент этой же пары. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Антенна, содержащая, по крайней мере, один вертикальный вибратор и, по крайней мере, одну металлическую стойку опоры, паралелльную вертикальному вибратору, но не соосную с ним, и, по крайней мере, одну пару вертикальных металлических элементов, прикрепленных к ней, при этом вертикальный вибратор также закреплен на стойке опоры, отличающаяся тем, что первый и второй вертикальные металлические элементы каждой пары соединены между собой согласованными линиями передачи, причем в каждой паре первый вертикальный металлический элемент расположен ближе к вертикальному вибратору, чем второй вертикальный металлический элемент этой же пары. 2. Антенна по п.1, в которую введены дополнительные вертикальные металлические элементы, расположенные так, что совместно с первыми элементами каждой пары они образуют антенну, направленную на вертикальный вибратор, а совместно со вторыми элементами каждой пары - антенну, направленную в сторону, противоположную направлению на вертикальный вибратор.