АНТЕННА Российский патент 2005 года по МПК H01Q7/00 

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено, в частности, для использования в сетях сухопутной подвижной связи в качестве антенны, устанавливаемой на крыше подвижного средства, например автомобиля.

Обычно требуется, чтобы антенна, установленная на крыше подвижного средства, обеспечивала бы всенаправленную в горизонтальной плоскости диаграмму направленности при вертикальной поляризации излучения. Кроме того, желательно, чтобы антенна имела малые габариты и могла бы крепиться непосредственно на металлическую поверхность (крышу) без опорного изолятора.

В настоящее время в качестве антенн подвижных средств чаще всего используются штыревые антенны [1]. Эти антенны обеспечивают всенаправленную в горизонтальной плоскости диаграмму направленности при вертикальной поляризации излучения, однако для их установки на крыше требуется опорный изолятор.

Известна рамочная антенна, которая крепится к металлической опоре непосредственно без опорного изолятора [2]. Крепление осуществляется в точке окружности рамки, противоположной точке подключения источника сигнала (фидера). Однако эта рамочная антенна не может обеспечить всенаправленную в горизонтальной плоскости диаграмму направленности при вертикальной поляризации излучения. Кроме того, эта антенна имеет значительные габариты (близкие к длине рабочей волны).

Известна малогабаритная рамочная антенна с размерами, значительно меньшими длины волны [3]. Для обеспечения настройки при малых размерах антенны в нее введен реактивный элемент емкостного характера в виде конденсатора, включенного в месте подключения фидера. Эта рамочная антенна также не может обеспечить всенаправленную в горизонтальной плоскости диаграмму направленности при вертикальной поляризации излучения.

Известна рамочная антенна, обеспечивающая всенаправленную в горизонтальной плоскости диаграмму направленности при вертикальной поляризации излучения [4]. Однако эта антенна сложна и громоздка, поскольку содержит две большие рамки, лежащие во взаимно перпендикулярных вертикальных плоскостях.

Известна петлевая антенна, содержащая последовательно включенные реактивные элементы индуктивного характера и параллельно включенные реактивные элементы емкостного характера, те и другие включены у места подключения фидера [5]. Эта антенна имеет относительно большие габариты и направленную диаграмму направленности.

Известна петлевая антенна, содержащая квадратную рамку и последовательно включенные реактивные элементы емкостного характера, расположенные с равными интервалами вдоль проводов рамки [6]. Эта антенна также имеет относительно большие габариты и направленную диаграмму направленности.

Известна всенаправленная антенна, содержащая рамку с последовательно включенными реактивными элементами, расположенными с равными интервалами вдоль проводов рамки [7]. Однако эта антенна обеспечивает всенаправленную диаграмму направленности при горизонтальной поляризации излучения, а не при вертикальной; кроме того, она имеет относительно большие габариты.

Известна антенна, содержащая настроенную прямоугольную рамку, линейные размеры которой малы по сравнению с длиной волны, и реактивные элементы индуктивного и емкостного характера, подключенные к проводам рамки [8] (прототип). Известная антенна не обеспечивает всенаправленную в горизонтальной плоскости диаграмму направленности при вертикальной поляризации излучения. Кроме того, в известной антенне не обеспечивается возможность непосредственного согласования с фидером, выполненным в виде коаксиального кабеля: для такого согласования в известной антенне используется трансформатор на ферритовом кольце.

Предлагаемым изобретением решается задача обеспечения всенаправленной в горизонтальной плоскости диаграммы направленности при вертикальной поляризации излучения у малогабаритной рамочной антенны, которая допускает крепление к металлической поверхности без опорного изолятора. Другая задача, решаемая предлагаемым изобретением, - обеспечение возможности непосредственного согласования такой антенны с фидером, выполненным в виде коаксиального кабеля.

Для достижения этих технических результатов в известной антенне, содержащей настроенную прямоугольную рамку, линейные размеры которой малы по сравнению с длиной волны, и реактивные элементы индуктивного и емкостного характера, подключенные к проводам рамки, с целью решения упомянутых задач реактивные элементы выполнены в виде по крайней мере одной пары из последовательно включенной индуктивности и параллельно включенной емкости, причем упомянутая пара расположена у угла рамки на стороне рамки, соединенной с фидером, причем величины реактивных элементов выбраны так, что

где ν - скорость распространения электромагнитных волн в среде, где расположена антенна;

L - величина индуктивности реактивного элемента индуктивного характера;

С - величина емкости реактивного элемента емкостного характера;

λ - длина волны на средней частоте полосы частот антенны;

l - расстояние вдоль стороны рамки от точки подключения фидера до угла рамки;

d - длина стороны рамки, смежной со стороной, к которой подключен фидер;

g - длина катушки индуктивности реактивного элемента индуктивного характера.

В предпочтительном варианте исполнения предлагаемой антенны с целью дальнейшего уменьшения габаритов рамки и уменьшения излучения под высокими углами к горизонту размеры рамки выбраны так, что d≪l.

В варианте исполнения предлагаемой антенны реактивный элемент емкостного характера образован собственной емкостью катушки индуктивности, которая образует реактивный элемент индуктивного характера.

Еще в одном варианте исполнения предлагаемой антенны с целью удобства подгонки требуемой величины емкости реактивного элемента емкостного характера упомянутый элемент образован частично проводником, подключенным параллельно к стороне рамки в месте подключения катушки индуктивности.

На фиг.1 изображена предлагаемая антенна, несимметричный вариант.

На фиг.2 изображена предлагаемая антенна, симметричный вариант.

На фиг.3 изображена предлагаемая антенна, предпочтительный вариант исполнения.

На фиг.4 показано распределение амплитуд и фаз токов по проводникам предлагаемой антенны: сплошная кривая - амплитуды, пунктир - фазы токов.

На фиг.5 приведены диаграммы направленности предлагаемой антенны: сплошная кривая - в горизонтальной плоскости, пунктирная - в вертикальной плоскости.

Предлагаемая антенна (фиг.1) содержит прямоугольную рамку 1, размеры сторон которой l и d малы по сравнению с длиной волны на средней частоте полосы частот антенны. Антенна содержит также пару реактивных элементов индуктивного и емкостного характера. Реактивный элемент индуктивного характера образован индуктивностью катушки 3, которая включена последовательно в проводник стороны 2 рамки 1. Реактивный элемент емкостного характера образован собственной емкостью катушки 3, что соответствует параллельному подключению емкости к проводу рамки. Катушка расположена на стороне 2 рамки 1 у угла рамки 1, образованного смежными сторонами 2 и 4. К стороне 2 рамки подключен внутренний проводник коаксиального фидера 6. Внешний проводник фидера 6 соединен с металлической поверхностью 7, которая образует одну из сторон рамки 1. Сторона 5 рамки 1 укреплена на металлической поверхности 7, к стороне 5 прикреплена сторона 4, к стороне 4 прикреплена катушка 3, а к катушке прикреплена сторона 2 рамки. В реальной конструкции все эти элементы выполнены из единого куска провода или прутка, включая катушку. Величины реактивных элементов выбраны так, что

где ν - скорость распространения электромагнитных волн в среде, где расположена антенна;

L - величина индуктивности реактивного элемента индуктивного характера;

С - величина емкости реактивного элемента емкостного характера;

λ - длина волны на средней частоте полосы частот антенны;

l - расстояние вдоль стороны 2 рамки 1 от точки подключения фидера 6 до угла рамки;

d - длина стороны 4 рамки, смежной со стороной 2, к которой подключен фидер 6;

g - длина катушки 3 реактивного элемента индуктивного характера.

На фиг.2 показан симметричный вариант антенны. Обозначения здесь такие же, как на фиг.1. Симметричный вариант содержит две пары реактивных элементов; каждая пара включена в сторону 2 рамки 1 у углов, образуемых стороной 2 со смежными сторонами 4. Реактивные элементы емкостного характера образованы собственными емкостями катушек 3. Симметричный фидер 6, образованный двумя коаксиальными линиями, подключен к середине стороны 2 рамки 1, в разрыв ее. Внешние проводники коаксиальных линий электрически соединены друг с другом, по крайней мере в месте подключения к антенне. Величины реактивных элементов выбраны в соответствии с приведенным выше соотношением.

На фиг.3 показан предпочтительный вариант выполнения предлагаемой антенны. В этом варианте d≪l. В реальной конструкции l может быть больше d в четыре и более раз. Обозначения на фиг.3 такие же, как на фиг.1, за исключением проводника 9, который подключен параллельно к проводу рамки в месте включения катушки 3. Провод 9 частично образует реактивный элемент емкостного характера. Оставшуюся долю емкости образует собственная емкость катушки 3.

Предлагаемая антенна работает следующим образом. Пара реактивных элементов, величины индуктивности и емкости которых выбраны в соответствии с приведенным выше соотношением, дополняют электрическую длину рамки фиг.1 и 3 или половины рамки фиг.2 до половины длины волны. Вследствие этого распределение амплитуд и фаз токов по проводам антенны оказывается приблизительно таким же, как в петлевой антенне Пистолькорса, в которой l=λ/4. Следовательно, ток в стороне 5 будет противоположен по фазе току в стороне 2, однако с учетом изменения направления провода на противоположное, эти токи будут излучать синфазно. Это обстоятельство иллюстрируется на фиг.4, где приведено распределение амплитуд (сплошная кривая) и фаз (пунктир) тока по проводникам рамки, изображенной на фиг.2. Кривые получены в результате точного электродинамического расчета. По оси абсцисс отложено число, соответствующее номерам сегментов, на которые условно разделялся провод в процессе выполнения расчета; сегменты отсчитывались при обходе антенны по периметру рамки. Размеры рамки: l=0,12λ, d=0,05λ. Плоские участки сплошной кривой на фиг.4 соответствуют длинным сторонам рамки 2 и 5 (фиг.2). Видно, что фазы токов в длинных сторонах отличаются приблизительно на 180° (см. пунктирную кривую на фиг.4). Таким образом, длинные стороны 2 и 5 излучают синфазно и потому интенсивно; если они вертикальны, то и поляризация излучения будет вертикальной. Короткие стороны 4 излучают меньше, поскольку они короче и потому, что излучение от них не синфазно, поэтому максимум излучения будет в направлении горизонта, перпендикулярном длинным сторонам 2 и 5. Вследствие малости размера рамки d длинные стороны расположены вблизи (в долях волны) друг от друга, благодаря чему диаграмма направленности в горизонтальной плоскости близка к круговой. Это показано на фиг.5, на которой сплошная кривая - диаграмма направленности в горизонтальной плоскости, пунктирная кривая - диаграмма направленности в вертикальной плоскости. Диаграммы построены по результатам упомянутого выше расчета амплитудно-фазового распределения тока по проводникам антенны. Поскольку излучают, в основном, стороны 2 и 5, размер других сторон, т.е. размер d, может быть уменьшен без ущерба для основных характеристик антенны (фиг.3).

Размер сторон рамки предлагаемой антенны меньше, чем у полуволновой петлевой антенны Пистолькорса, следовательно, и сопротивление излучения у нее тоже меньше 300 Ом, соответственно, меньше и входное сопротивление антенны. У несимметричной антенны (фиг.1 и 3) при упомянутых выше размерах входное сопротивление чисто активно и составляет 75 Ом, что позволяет непосредственно подключить к ней фидер, выполненный из коаксиального кабеля. Чисто активная величина входного сопротивления антенны получается при выполнении приведенного выше выражения для величин L и С. Отношение величин L и С влияет на отношение амплитуд токов в сторонах 2 и 5 рамки. Эти амплитуды будут приблизительно равны, если отношение L/C будет такое же, как отношение погонных индуктивности и емкости проводов рамки. Подбирая отношение L/C, можно изменять входное сопротивление антенны. Величина L может быть рассчитана по [9]. Величина С рассчитывается по [10] как емкость цилиндра, имеющего диаметр и длину такие же, как у катушки 3. Меняя эти параметры, например изменением шага намотки катушки и числа витков, можно изменять отношение L/C. Если шаг намотки катушки велик по сравнению с радиусом провода катушки, то требуемые величины L и С могут быть получены при общей длине провода катушки, равной λ/2-2l-d-g, однако при этом отношение L/C произвольно изменять нельзя. Подбор требуемой величины С можно осуществить независимо от величины L, изменяя длину проводника 9, фиг.3.

Источники информации

1. Антенно-фидерные устройства систем сухопутной подвижной связи / А.Л.Бузов, Л.С.Казанский, В.А.Романов, Ю.М.Сподобаев; Под ред. А.Л.Бузова. - М.: Радио и связь, 1997. - 150 с.

2. Патент США №2479337, нац. кл. 343/742, опубл. 16.08.1949.

3. Патент США №3902177, кл. Н 01 Q 7/04 (нац. кл. 343/741), опубл. 26.08.1975.

4. Патент США №4595928, кл. Н 01 Q 7/00 (нац. кл. 343/742), опубл. 17.06.1986.

5. Авторское свидетельство СССР №793269, кл. Н 01 Q 7/00, опубл. 23.08.1983. Бюл.№31.

6. Авторское свидетельство СССР №1023462, кл. Н 01 Q 7/00, опубл. 15.06.1983. Бюл.№22.

7. Патент России №2180151, кл. Н 01 Q 9/00, опубл. 27.02.2002. Бюл. №6.

8. Патент США №5751255, кл. Н 01 Q 7/00 (нац. кл. 343/866), опубл. 12.05.1998.

9. Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей. Л.: Энергоатомиздат, 1986. - 488 с.

10. Иоссель Ю.Я., Кочанов Э.С., Струнский М.Г. Расчет электрической емкости. - Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1981. - 288 с.

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено, в частности, для использования в сетях сухопутной подвижной связи в качестве антенны, устанавливаемой на крыше подвижного средства, например, автомобиля. Технический результат заключается в обеспечении всенаправленной диаграммы направленности в горизонтальной плоскости при вертикальной поляризации излучения и возможности непосредственного согласования антенны с фидером. Сущность изобретения состоит в том, что антенна, содержащая настроенную прямоугольную рамку, линейные размеры которой малы по сравнению с длиной волны, имеет реактивные элементы индуктивного и емкостного характера, подключенные к проводам рамки и выполненные в виде по крайней мере одной пары из последовательно включенной индуктивности и параллельно включенной емкости, причем упомянутая пара расположена у угла рамки на стороне рамки, соединенной с фидером. Приведено соотношение для определения величины реактивных элементов. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Антенна, содержащая настроенную прямоугольную рамку, линейные размеры которой малы по сравнению с длиной волны, и реактивные элементы индуктивного и емкостного характера, подключенные к проводам рамки, отличающаяся тем, что реактивные элементы выполнены в виде по крайней мере одной пары из последовательно включенной индуктивности и параллельно включенной емкости, причем упомянутая пара расположена у угла рамки на стороне рамки, соединенной с фидером, причем величины реактивных элементов выбраны так, что

,

где ν - скорость распространения электромагнитных волн в среде, где расположена антенна;

L - величина индуктивности реактивного элемента индуктивного характера;

С - величина емкости реактивного элемента емкостного характера;

λ - длина волны на средней частоте полосы частот антенны;

l - расстояние вдоль стороны рамки от точки подключения фидера до угла рамки;

d - длина стороны рамки, смежной со стороной, к которой подключен фидер;

g - длина катушки индуктивности реактивного элемента индуктивного характера.