ШИРОКОПОЛОСНАЯ ТУРНИКЕТНАЯ ЩЕЛЕВАЯ АНТЕННА Российский патент 2010 года по МПК H01Q13/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Это изобретение относится к радиоантеннам, а более конкретно к широкополосным антенным системам с горизонтальной поляризацией поля излучения, имеющим круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости, малый коэффициент стоячей волны, 1,15 и менее, в широкой полосе частот. Такие антенны необходимы для передачи и приема радиосигналов, телевизионных сигналов, в системах слепой посадки самолетов, в радионавигационных радиомаяках и других радиосистемах.

Уровень техники

Известна первая турникетная антенна, содержащая два взаимно-перпендикулярных горизонтальных вибратора, питаемых со сдвигом по фазе в 90° [П.Н.Рамлау, А.А.Пистолькорс. Патент на изобретение №17427. - Класс 21 a⁴, 46₀₃. - Заявл. 21.12.1929, №60752. - Опубл. 30.09.1930. Трусканов Д.М. Развитие отечественной техники телевизионных передающих антенн. Сборник "Антенны". - М.: Связь. - 1967, №2. - Стр.5]. Известная первая турникетная антенна имеет значительный уровень излучения под большими углами места, что делает их не пригодными в качестве одиночных излучателей для радиовещания и телевидения в диапазоне ультракоротких волн. Известная первая турникетная антенна имеет недостатки, обусловленные выносом плеч вибратора относительно вертикальной оси антенны:

- большая неравномерность диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, достигающая величины ±3 дБ;

- при построении антенны в дециметровом диапазоне волн опора при разумном электрическом размере диаметра не обеспечивает необходимую прочность и жесткость антенны;

- низкий коэффициент направленного действия антенны;

- высокий уровень излучения в окрестности направления оси опоры, что при использовании антенны в качестве передающей телевизионной антенны обуславливает высокий уровень излучения на технической территории телевизионной станции, расположенной вблизи антенной опоры;

- сложна система питания антенны.

Известна вторая турникетная антенна (Б.В.Брауде. Плоскостной вибратор. Авторское свидетельство №69974 СССР. - Приоритет 12.04.1946. Опубл. 31.12.1947. Брауде Б.В. Новая широкополосная УКВ антенна для телевидения. - Радиотехника, 1947, №7), содержащая вертикальную опору в виде трубы, первую, вторую, третью и четвертую плоские прямоугольные пластины, первый и второй фидеры, каждый из которых выполнен на двух коаксиальных кабелях, делителя мощности и крепежных деталей. Первая и вторая пластины расположены в первой плоскости, проходящей через ось трубы, по разные стороны от трубы так, что одна из кромок параллельна оси трубы и верхняя угловая точка пластины соединена с трубой с образованием первой и второй короткозамкнутой щелевой линии передачи. Первая и вторая пластина, по существу, служат плечами первого плоскостного вибратора, запитанного первой и второй щелевыми линиями передачи. Третья и четвертая пластины расположены во второй плоскости, проходящей через ось трубы. перпендикулярно к первой плоскости. Третья и четвертая пластины совместно с трубой образуют третью и четвертую щелевую линию передачи, питающую второй плоскостной вибратор, образованный третьей и четвертой пластинами. Каждая щелевые линии передачи возбуждаются с помощью коаксиального кабеля, расположенного внутри трубы. При этом внешний проводник кабеля гальванически соединен с трубой, а центральный проводник через отверстие в трубе выведен наружу и гальванически соединен с кромкой пластины в нижней угловой точке пластины. Соседние щелевые линии передачи запитаны с 90 градусным сдвигом по фазе относительно друг друга. Такие антенны применялись в нашей стране на первых телевизионных станциях.

Известная вторая турникетная антенна имеет недостатки:

- большая неравномерность диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, достигающая величины ±3 дБ (Ерохин Г.А., Чернышев О.В., Козырев Н.Д., Кочержевский В.Г. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. Учебник для вузов. - М.: Радио и связь. - 1996. Стр.180);

- при построении антенны в дециметровом диапазоне волн опора при разумном электрическом размере диаметра физический диаметр имеет небольшую величину и поэтому опора не обеспечивает необходимую прочность и жесткость антенны;

- применение опор большого диаметра приводит к недопустимой неравномерности диаграммы направленности в горизонтальной плоскости.

Указанные выше недостатки обусловлены тем, что опора находится внутри щелей:

- мал коэффициент использования поверхности антенны из-за неравномерного распределения тока по поверхности и, как следствие, мал коэффициент направленного действия антенны;

- высокий уровень излучения в окрестности направления оси опоры, что при использовании антенны в качестве передающей телевизионной антенны обуславливает высокий уровень излучения на технической территории телевизионной станции, расположенной вблизи антенной опоры,

- сложна система питания.

Известна третья турникетная антенна (R.W.Masters. Antenna. US patent №2480154). Антенна содержит опору, четыре плоских пластины, четыре перемычки, систему питания. Четыре плоских пластины расположены радиально с интервалом 90° вокруг проводящей трубчатой мачты, служащей опорой антенны. Одна кромка каждой пластины простирается параллельно мачте на близком расстоянии от нее. Эта кромка с помощью перемычек гальванически соединена в своих крайней верхней и крайней нижней точках с мачтой. Кромка каждой из пластин, расположенная вдали от мачты, выполнена с V-образным вырезом. В результате ширина пластины изменяется от одной восьмой длины волны в центре пластины до одной четвертой длины волны на ее концах. Две пластины, расположенные в одной плоскости, представляют собой диполь Ж-образной формы. Каждое плечо запитывается коаксиальным кабелем. Диполи третьей известной турникетной антенны имеют больший коэффициент направленного действия, чем диполи первой известной турникетной антенны.

Однако:

- коэффициент использования поверхности антенны меньше, чем это можно получить, например, при равномерном распределении тока вдоль одной координаты и косинусоидальном распределении тока вдоль другой координаты на поверхности антенны;

- под антенной из Ж-образных вибраторов приходится увеличивать диаметр опоры. Проблема диаметра опоры усугубляется, когда на этой же опоре выше необходимо расположить другие антенны, например антенны других каналов. При большом разносе плеч Ж-образного вибратора, который пришлось бы применить из-за большого диаметра опоры, уже невозможно обеспечить равномерную диаграмму направленности в горизонтальной плоскости с точностью 3 дБ, что необходимо для равномерного покрытия круговой зоны действия;

- антенна имеет высокий уровень излучения в окрестности направления оси опоры. Сложна система питания антенны.

Известна четвертая турникетная антенна (О.М.Woodward. Broadband turnstile antenna. US patent №3932874), выполненная из четырех треугольных веерообразных излучающих элементов, размещенных вокруг вертикальной мачты. Каждый излучатель монтируется на мачте с помощью двух металлических кронштейнов, имеющих гальванический контакт с излучателями в угловых точках, удаленных от мачты. Излучающие элементы запитаны равной мощностью с относительными фазами 0°, 90°, 180° и 270°. Известная четвертая турникетная антенна имеет более широкую полосу рабочих частот по сравнению с полосой частот первой, второй и третьей известных турникетных антенн, однако обладает указанными выше недостатками первой, второй и третьей известных турникетных антенн.

Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является третья известная антенна, которая принята авторами за прототип.

Раскрытие изобретения

Целью изобретения является:

- уменьшение неравномерности диаграммы направленности в горизонтальной плоскости антенны с горизонтальной поляризацией,

- увеличение прочности и жесткости конструкции антенны,

- увеличение коэффициента направленного действия антенны,

- уменьшение уровня излучения в направлении вертикально вниз,

- упрощение схемы питания антенны,

- обеспечение защиты от влияния неблагоприятных метеорологических факторов на электрические параметры антенны.

Поставленные цели достигаются благодаря тому, что антенная система, содержащая множество пар проводящих пластин (каждая пара пластин расположена в одной из N плоскостей, где N≥1), делитель мощности и линии передачи электромагнитной энергии, дополнительно содержит множество М вертикальных стоек, где M≥2, N устройств согласования, верхний и нижний кронштейны, при этом множество N плоскостей образует пучок плоскостей с вертикальной осью, контур каждой пластины состоит из прямолинейной вертикальной кромки с уступом, верхней кромки, нижней кромки и прямолинейной вертикальной кромки, противолежащей к кромке с уступом; каждая пластина вертикальной кромкой с уступом совмещена с упомянутой осью пучка, причем пластины гальванически соединены друг с другом по линиям их сопряжения с образованием уступами N щелей; к каждой щели подведена одна из упомянутых линия передачи, при этом внешний проводник на конце каждой линии передачи гальванически соединен с одной из пластин в каждой из упомянутых пар пластин, а центральный проводник соединен с соответствующим согласующим устройством, связанным гальванически со второй пластиной из упомянутой пары пластин; линии передачи своими вторыми концами соединены с делителем мощности; стойки соединены с верхним и нижним кронштейнами с образованием опоры антенны; пластины соединены с опорой антенны.

Введение в состав антенны дополнительно множество М вертикальных стоек, где M≥2, верхнего и нижнего кронштейнов решает задачу создания прочной и жесткой конструкции антенны при воздействии ветровой нагрузки. Образование щелей, как указано выше, позволяет получить диаграмму направленности в горизонтальной плоскости по форме, близкой к кругу. Применение в антенне пластин, вертикальный размер которых больше, чем вертикальный размер щелей (больше половины длины волны), приводит к увеличения коэффициента направленного действия антенны, к снижению уровня излучения в направлении вертикально вниз, что позволяет обеспечить экологически более безопасные условия на расположенной вблизи антенной опоры технической территории радиотелевизионной станции.

Введение в состав антенны дополнительно согласующих устройств "решает задачу создания антенны с КСВН на уровне ниже 1, 15 в полосе нескольких телевизионных каналов.

Введение указанных выше устройств в совокупности решает задачу - создать антенну с входным сопротивлением 50 или 75 Ом,

- создать антенну, способную излучать сигналы с высоким уровнем мощности,

- создать антенну с практически постоянным входным сопротивлением в широком диапазоне частот, что важно для качества передаваемого сигнала,

- создать антенну с высокой механической прочностью, обеспечиваемой необходимым количеством стоек и формой и размерами их поперечного сечения, что позволяет размещать выше данной антенны другие антенны, например антенны для работы на других телевизионных каналах или в других частотных диапазонах,

- создать антенну, конструкция излучающих элементов которой обеспечивает соединение по постоянному току всех элементов с системой заземления опоры, на которой она устанавливается,

- создать антенну, обеспечивающую защиту от влияния неблагоприятных метеорологических факторов на ее электрические параметры.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена турникетная антенна в разобранном виде с двумя парами пластин в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.2 представлена турникетная антенна в собранном виде с двумя парами пластин в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.3 дан вид сверху на антенну в собранном виде, представленном на фиг.2.

На фиг.4 представлен другой вариант турникетной антенны в разобранном виде, в котором третья и четвертая, металлические пластины выполнены в виде одной плоской пластины.

На фиг.5 приведен другой вариант турникетной антенны, в котором пластины первая и четвертая, третья и вторая попарно объединены с образованием прямых пространственных двугранных углов.

На фиг.6 представлен другой вариант турникетной антенны, в котором пластины выполнены с вырезом треугольной формы.

На фиг.7 приведен другой вариант исполнения антенны, в которой пластины выполнены в виде решетки горизонтальных проводников, контуры щелей и пластин выполнены из вертикальных проводников.

На фиг.8 представлена линейная антенная решетка, в которой в качестве излучающих элементов применены щелевые турникетные излучатели.

На фиг.9 приведена диаграмма направленности в плоскости вектора Е первого образца антенны.

На фиг.10 приведена диаграмма направленности в плоскости вектора Н первого образца антенны.

На фиг.11 приведена диаграмма направленности второго образца антенны в плоскости вектора Е.

На фиг.12 приведена диаграмма направленности второго образца антенны в плоскости вектора Н.

На фиг.13 приведены расчетная (сплошная линия) и экспериментальная (пунктирная линия) диаграммы направленности третьего образца антенны в плоскости вектора Н на частоте 470 МГц.

На фиг.14 приведены расчетная и экспериментальная диаграммы направленности третьего образца антенны в плоскости вектора Н на частоте 550 МГц.

На фиг.15 приведены расчетная и экспериментальная диаграммы направленности третьего образца антенны в плоскости вектора Н на частоте 620 МГц.

На фиг.16 представлена зависимость КСВ от частоты для щелевого излучателя в составе четырехэлементной антенной решетки с обтекателем.

На фиг.17 приведены пунктирной линией диаграмма направленности антенны в плоскости вектора Е с четырьмя пластинами, сплошной линией - диаграмма направленности антенны с шестью пластинами по результатам расчета.

Осуществление изобретения

Обратимся к фиг.1, на которой представлена турникетная антенна 1 с двумя парами пластин в соответствии с настоящим изобретением. Антенна 1 содержит первую 2, вторую 3, третью 4 и четвертую 5 плоские металлические пластины, четыре стойки 6, 7, 8 и 9, делитель мощности 10 с входом 11 и с первым 12 и вторым 13 выходами, первый 14 и второй 15 фидеры, первое согласующее устройство 16, второе согласующее устройство 17, верхний и нижний кронштейны (кронштейны на фиг.1 не показаны), обтекатель (на фиг.1 обтекатель не показан). Каждая из пластин 2-5 имеет вертикальную кромку 18 с уступом 19, верхнюю кромку 20, нижнюю кромку 21 и прямолинейную вертикальную кромку 22. Пластины 2 и 3 лежат в первой плоскости 23, пластины 4 и 5 лежат во второй плоскости 24, ортогональной к плоскости 23. Линия пересечения 25 плоскостей 23 и 24 - вертикальная прямая линия.

Пластины 2-5 выполнены из хорошо проводящего материала, такого как алюминиевый сплав, медный сплав или сталь. Возможно применение фольгированных диэлектрических пластин. Стойки 6, 7, 8 и 9, верхний и нижний кронштейны могут быть выполнены из алюминиевых, латунных или стальных труб, швеллеров, уголков или иного проката или высокочастотного диэлектрика. В качестве фидера применен стандартный коаксиальный кабель. Согласующие устройства 16. и 17 выполнены в виде отрезков коаксиального кабеля. Делитель мощности рассчитывается по известным формулам, приведенным в учебниках по технической электродинамике или в справочниках по устройствам СВЧ. Обтекатель выполнен из высокочастотного диэлектрика.

Указанные выше устройства соединены между собой следующим образом (фиг.2). Первая 2, вторая 3, третья 4 и четвертая 5 пластины гальванически соединены между собой кромками 18 с образованием прямых двухгранных углов 26 с общей прямой 25 - ребром двугранного угла, называемым далее вертикальной осью 25 антенны. В плане полученное устройство имеет форму креста (фиг.3). Уступы 19 на кромках 18 на первой 2 и второй 3 пластинах при гальваническом соединении пластин образуют первую щель 27 с кромками 28 и 29, параллельными оси 25. Уступы 19 на кромках 18 на третьей 4 и четвертой 5 пластинах при гальваническом соединении пластин образуют вторую щель 30 с кромками 31 и 32, параллельными оси 25. Стойки 6, 7, 8 и 9 выполнены из металла, пластины 2-5 соединены со стойками и с верхним и нижним кронштейнами с образованием гальванического контакта между пластинами и стойками, между пластинами и верхним и нижним кронштейнами.

Внешний проводник 33 (фиг.3) первого фидера 14 гальванически соединен с первой пластиной 2, а центральный проводник 34 проложен над щелью 27 и гальванически соединен с центральным проводником 35 первого согласующего отрезка фидера 16, внешний проводник которого 36 гальванически соединен со второй пластиной 3. Второй конец первого фидера 14 соединен с первым выходом 12 делителя мощности 10.

Внешний проводник 37 второго фидера 15 гальванически соединен с третьей пластиной 4. Центральный проводник 38 проложен над щелью 30 и гальванически соединен с центральным проводником 39 второго согласующего отрезка фидера 17, внешний проводник 40 которого гальванически соединен с четвертой пластиной 5. Второй конец второго фидера 15 соединен со вторым выходом 13 делителя мощности 10.

Длины первого 14 и второго 15 фидеров отличаются друг от друга на четверть длины волны на рабочей частоте. Стойки 6-9 крепятся к верхнему и нижнему кронштейнам для придания жесткости конструкции антенны. Нижний кронштейн имеет отверстия для крепления антенны на мачте или башне. При этом верхний и нижний кронштейны могут быть выполнены в виде креста, диска или иной формы.

В другом варианте соединения стойки 6-9 соединены с верхним и нижним кронштейнами, пластины имеют гальванический контакт с верхним и нижним кронштейнами, при этом между пластинами и стойками образован зазор. В другом варианте соединения пластины соединены со стойками с образованием гальванического контакта, стойки соединены с верхним и нижним кронштейнами, при этом между пластинами и верхним и нижним кронштейнами образованы зазоры.

В другом варианте антенны 1 (фиг.4) третья 4 и четвертая 5 пластины выполнены совместно в виде одной пластины 41, в которой выполнена упомянутая щель 30.

В другом варианте антенны 1 (фиг.5) первая и третья пластины выполнены совместно в виде двугранной пластины 42, а вторая и четвертая пластины выполнены в виде двугранной пластины 43. В двухгранных пластинах 42 и 43 выполнены отверстия 44 и 45, которые при гальваническом соединении пластин 42 и 43 друг с другом образуют упомянутые щели 27 и 30.

Предпочтительно пластины 2-5 имеют форму прямоугольника. Однако возможны пластины иной конфигурации. На фиг.6 приведен пример выполнения антенн с пластинами 2-5 с вырезом треугольной формы. Возможны такие конфигурации пластин 2-5, что при их соединении образуются пластины с формой, которую называют "крылом летучей мыши". Пластины 2-5 могут быть выполнены в виде решетки из проводников, как указано на фиг.7.

Антенна работает в режиме передачи следующим образом. Мощность генератора, поступающая на вход 11 (фиг.3) делителя мощности 10, делится на две равные части. При этом сигналы на выходах 12 и 13 делителя синфазны друг с другом. Щель 27 возбуждается отрезком центрального проводника 34 фидера 14, расположенным в области между кромками 28 и 29. Щель 30 возбуждается отрезком центрального проводника 38 фидера 15, расположенным в области между кромками 31 и 32.

Щелевая антенна, реализованная первой 2, второй 3 пластинами и щелью 27, формирует в плоскости, ортогональной оси 25, первую диаграмму направленности в виде "восьмерки". При этом максимумы диаграммы направленности направлены перпендикулярно к плоскости 23, в которой расположены первая 2 и вторая 3 пластины.

Щелевая антенна, реализованная третьей 4, четвертой 5 пластинами и щелью 30, формирует в плоскости, ортогональной оси 25, вторую диаграмму направленности в виде "восьмерки". При этом максимумы диаграммы направленности направлены перпендикулярно к плоскости 24, в которой расположены третья 4 и четвертая пластины 5. В результате при графическом изображении "восьмерки", отображающие упомянутые первую и вторую диаграммы направленности, развернуты в плоскости относительно друг друга на 90°. Вследствие того, что фидеры 14 и 15 отличаются друг от друга на четверть длины волны на рабочей частоте, сигналы, излучаемые первой и второй щелевыми антеннами, сдвинуты между собой в пространстве по фазе на 90°. В результате сложения в пространстве сигналов, излучаемых первой и второй щелевыми антеннами, формируется диаграмма направленности в виде круга.

Обратимся теперь к фиг.8, на которой изображена турникетная антенна 46 в соответствии с настоящим изобретением, представляющая собой; по-существу, линейную вертикальную антенную решетку щелевых турникетных излучателей. Антенна 46 включает в себя первую 47, вторую 48, третью 49 и четвертую 50 пластины, первую 6, вторую 7, третью 8 и четвертую 9 стойки, верхний 51 и нижний 52 кронштейны, делитель мощности 53 на четыре направления, четыре делителя на основе квадратурных трехдецибельных направленных ответвителей 54, 55, 56 и 57, четыре соединительных фидера 58, 59, 60 и 61 равной длины, восемь фидеров 62-69 равной длины, соединяющих выходы упомянутых ответвителей с согласующими устройствами. Упомянутые четыре фидера 58-61 и восемь фидеров 62-69 выполнены из стандартного кабеля радиочастотного.

Каждая из пластин 47-50 имеет вертикальную кромку с четырьмя уступами, верхнюю кромку, нижнюю кромку, прямолинейную вертикальную кромку. Первая 47 и вторая 48 пластины лежат в первой плоскости, третья 49 и четвертая 50 пластины лежат во второй плоскости, ортогональной к первой плоскости. Расстояние между уступами больше половины длины волны, но меньше длины волны на рабочей частоте.

Стойки выполнены из швеллера. Каждый из фидеров 62-69 от делителей мощности 54-57, расположенных ниже нижнего кронштейна 52, проходит вверх через соответствующее отверстие 70 в нижнем кронштейне, проложен внутри швеллера, через отверстие 71 в швеллере, примыкающей к пластине, выведен из него и проложен вдоль соответствующей пластины.

Межэтажный делитель мощности 53 выполнен, например, на основе коаксиальной линии и радиального волновода. Представленная антенна работает аналогично работе антенны 1. При этом в вертикальной плоскости формируется диаграмма направленности, более узкая по сравнению с диаграммой направленности антенны 1.

Первый образец антенны

Был изготовлен первый образец антенны в соответствии с настоящим изобретением. При описании этого и последующих образцов антенны мы ссылаемся на цифровые обозначения фиг.1-8. Первый образец состоит из первой 2, второй 3, третьей 4, четвертой 5 пластин, четырех стоек 6, 7, 8 и 9, делителя мощности 10 на два направления, двух фидеров 14 и 15, первого согласующего отрезка фидера 16, второго согласующего отрезка фидера 17, верхнего 51 и нижнего 52 кронштейнов. В качестве стоек применены отрезки стандартного швеллера сечением 40×25 мм². Верхний и нижний кронштейны выполнены в виде проводящих дисков диаметром 270 мм. Пластины 2-5 и упомянутые диски выполнены из луженой жести толщиной 0,3 мм. Макет изготовлен следующим образом. Были изготовлены два экземпляра пластины размером 400×210 мм². В центре каждой пластины параллельно стороне длиною 400 мм прорезана щель с размерами 275×20 мм². Первый экземпляр изготовленной пластины 41 применен в образце в качестве третьей 4 и четвертой 5 пластин со второй щелью 30. Для выполнения первой 2 и второй 3 пластин второй экземпляр изготовленной пластины был разрезан по прямой линии, совпадающей с осью щели. Полученные две пластины 2 и 3 припаяны к первому экземпляру пластины 41 с образованием второй щели 27. В результате получено устройство, имеющее в плане вид креста. Двугранные углы 26, образованные пластинами, каждый равен 90°. Пластины 2-5 припаяны к верхнему 51 и нижнему 52 кронштейнам, к стойкам 6-9. К первой пластине рядом с кромкой 28 щели 27 припаяна оплетка первого фидера 14 - коаксиального кабеля РК-50-2-21, на участке непосредственно за кромкой 28 внешний проводник кабеля удален, центральный проводник 34 коаксиального кабеля 14 продолжен в область щели 27 и припаян к центральному проводнику 35 первого согласующего отрезка кабеля 16, внешний проводник 36 которого припаян к второй пластине 3. Расстояние от места припайки кабеля до узкой (нижней) кромки щели равно 55 мм. К третьей пластине 4 в окрестности кромки 31 щели 30 припаяна оплетка второго фидера 15 - коаксиального кабеля РК-50-2-21, на участке непосредственно за кромкой 31 внешний проводник кабеля удален, центральный проводник 28 кабеля продолжен в область щели и припаян к центральному проводнику 39 второго согласующего отрезка 17 кабеля, внешний проводник 40 которого припаян к четвертой пластине 5. Места распайки первого 14 и второго 15 фидеров к пластинам разнесены по разные стороны от центра щелей. Если отсчитывать расстояние от узкого (нижнего) края первой щели до места распайки второго фидера, то расстояние равно 220 мм. Первый 14 и второй 15 фидеры, в качестве которых применен кабель радиочастотный РК-50-2-21, имеют равную длину. Длины согласующих отрезков 12 и 13, выполненных также из кабеля РК-50-2-21, равны 44 мм. В качестве делителя мощности 10 на два направления использован 3 дБ квадратурный направленный ответвитель на связанных полосковых линиях, который, как известно, обеспечивает деление мощности на две равные части и 90° сдвиг по фазе между выходными сигналами.

На фиг.9 приведена нормированная экспериментальная диаграмма направленности первого образца турникетной антенны в плоскости вектора Е. Нормировка диаграммы выполнена относительно среднеквадратичного уровня сигнала в плоскости вектора Е.

Как видно из графика на фиг.9, при возбуждении в представленном образце антенны двух ортогональных друг к другу щелей сигналами равной амплитуды, сдвинутыми по фазе на 90°, диаграмма направленности антенны в плоскости вектора Е близка по форме к окружности. Отклонения экспериментальной диаграммы направленности антенны от окружности не превышают величину +1,08÷-1,2 дБ.

На фиг.10 приведена нормированная экспериментальная диаграмма направленности первого образца турникетной антенны в плоскости вектора Н. На фиг.10 угол отсчитывается от оси 25 антенны. Нормировка диаграммы направленности выполнена относительно максимального уровня сигнала в плоскости вектора Н.

Второй образец антенны

Второй образец антенны отличается от первого образца тем, что между пластинами 2-5 и швеллерами 6-9, обращенными к торцам пластин своей широкой гранью, существует зазор 5 мм.

На фиг.11 приведена нормированная экспериментальная диаграмма направленности второго образца турникетной антенны в плоскости вектора Е. Нормировка диаграммы выполнена относительно среднеквадратичного уровня сигнала в плоскости вектора Е. Отклонения экспериментальной диаграммы направленности антенны от окружности не превышают величину +1,418÷-2,02 дБ.

На фиг.12 приведена нормированная экспериментальная диаграмма направленности второго образца турникетной антенны в плоскости вектора Н. Нормировка диаграммы направленности выполнена относительно максимального уровня сигнала в плоскости вектора Н.

Сравнение графиков на фиг.9-12 показывает, что наличие 5 мм зазора между пластинами и стойками практически не сказывается на диаграммах направленности антенны в плоскости вектора Е и в плоскости вектора Н.

Третий образец антенны

Был изготовлен третий образец антенны (фиг.8). Третий образец 46 представляет собой линейную вертикальную четырехэтажную антенную решетку щелевых турникетных излучателей.

Третий образец включает в себя первую 47, вторую 48, третью 49 и четвертую 50 пластины, первую 6, вторую 7, третью 8 и четвертую 9 стойки, верхний 51 и нижний 52 кронштейны, межэтажный делитель мощности 53 на 4 направления, четыре межэтажных фидера 58, 59, 60 и 61 равной длины, четыре трехдецибельных квадратурных направленных ответвителя 54, 55, 56 и 57, восемь фидеров 62-69 равной длины, восемь согласующих устройств.

Пластины 41, 2 и 3 (фиг.4) выполнены из алюминиевого листа. Пластина 41 имеет размеры 2049×120×2 мм³. Пластины 2 и 3 имеют размеры 2049×59×2 мм³. Щели имеют длину 230 мм, ширину 20 мм, расположены на расстоянии 475 мм друг от друга.

В качестве стоек 6-9 применены стандартные алюминиевые швеллеры сечением 30×30 мм². Швеллеры полочкой обращены в сторону оси 25 антенны. Межэтажный делитель мощности 53 на четыре направления выполнен на основе коаксиальной линии передачи электромагнитной энергии. Фидеры 58-61 и 62-69 и согласующие устройства выполнены из кабеля РК-50-2-21.

Стойки 6-9 соединены с верхним 51 и нижним 52 швеллерами и образуют опору антенны. Пластины 41, 2 и 3 соединены со швеллерами с образованием гальванического контакта. Делитель мощности 53, трехдецибельные квадратурные направленные ответвители 54-57, и фидеры 58-61 расположены ниже нижнего кронштейна 52, к которому для защиты упомянутых устройств от неблагоприятных метеоусловий присоединена юбка в форме полого цилиндра.

Каждый радиочастотный кабель 62-69 выведен вверх через одно из отверстий 70 в нижнем 52 кронштейне, проложен внутри соответствующего швеллера, через отверстие 71 в широкой стенке швеллера выведен из него и проложен вдоль соответствующей пластины. Внешний проводник кабеля имеет гальванический контакт с пластиной в окрестности первой кромки щели. Центральный проводник коаксиального кабеля проложен над щелью и соединен с центральным проводником соответствующего согласующего отрезка фидера, внешний проводник которого соединен с пластиной в окрестности второй кромки щели.

Как показали эксперименты отклонения диаграммы направленности в плоскости вектора Е от окружности не превышают величину ±1,5 дБ.

На фиг.13-15 приведены расчетные и экспериментальные диаграммы направленности антенны в плоскости вектора Н на частотах 470 МГц, 550 МГц и 630 МГц соответственно. Как видно из представленных графиков, за счет применения решетки щелевых излучателей диаграмма направленности антенны в плоскости вектора Н имеет более узкий вид.

Численные модели антенн

Были выполнены численные исследования влияния на согласование фидера со щелевым излучателем в составе антенной решетки из четырех турникетных щелевых антенн, построенных аналогично третьему образцу антенны. Вычислены в диапазоне частот величина входного сопротивления щелевого излучателя и коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВ) в фидере в зависимости от размеров элементов антенны: размеров пластины, размеров щели, расстояния между излучателями в решетке, размеров швеллеров, размеров верхнего и нижнего кронштейнов и их расстояния до ближайшей щели, от длины согласующего отрезка фидера, от расстояния между точкой возбуждения щели и узким (нижним или верхним) краем щели, диаметра обтекателя. Предполагалось, что обтекатель выполнен из стеклопластика толщиной 3 мм. При этом решалась в строгой электродинамической постановке задача об излучении щели с учетом влияния всех упомянутых конструктивных элементов антенны, с учетом влияния соседних щелей, с учетом обтекателя.

Используя полученные закономерности в поведении входного сопротивления щели и КСВ в зависимости от указанных выше размеров, был выполнен параметрический синтез антенны для работы в широком диапазоне частот. Зависимость КСВ в фидере для отдельной щели в составе синтезированной четырехэтажной антенны приведена на фиг.16. Как видно из графика на фиг.16, КСВ в диапазоне частот 470-600 МГц не превышает величину, равную 1,2. Учитывая тот факт, что соседняя щель, расположенная в ортогональной плоскости, имеет 90-градусный сдвиг по фазе, будет в делителе мощности наблюдаться компенсация отраженных волн, что при идеальном делителе мощности позволит получить в указанном диапазоне частот величину КСВ турникетного щелевого излучателя в составе антенной решетки, меньшую 1,05.

Был выполнен для сравнения расчет диаграмм направленности антенны, содержащей две пары пластин и антенны, содержащей три пары пластин. В обеих антеннах размеры каждой пластины равны 400×210 мм². В первой из упомянутых антенн пластины при соединении образуют четыре двугранных угла по 90° каждый, две щели. Во второй из упомянутых антенн пластины образуют шесть двугранных углов по 60° каждый, три щели. Амплитуды всех источников, возбуждающих щели, равны одному вольту. В первой антенне фазы источников, возбуждающих щели, отличаются друг от друга на 90°. Во второй антенне фазы источников, возбуждающих две соседние щели, отличаются друг от друга на 60°. Расчетные диаграммы направленности на частоте 550 МГц приведены на фиг.17. График, соответствующий диаграмме направленности с четырьмя пластинами, имеет вид пунктирной кривой линии. График, соответствующий диаграмме направленности с шестью пластинами, имеет вид непрерывной кривой.

Как видно из сравнения графиков, диаграмма направленности антенны с шестью пластинами отклоняется от окружности на меньшую величину, чем диаграмма направленности антенны с четырьмя пластинами.

Антенна может быть использована в качестве передающей, приемной или приемопередающей антенны в системах на УКВ и в СВЧ-диапазоне, в которых требуется обеспечить горизонтальную поляризацию поля излучения с диаграммой направленности в виде окружности в горизонтальной плоскости. В частности, такие антенны найдут применение для передачи и приема радиосигналов, телевизионных сигналов, в системах слепой посадки самолетов, в аэродромных радионавигационных радиомаяках и других радиосистемах.

Изобретение относится к области радиотехники. Техническим результатом является создание прочной, жесткой конструкции антенны горизонтальной поляризации с диаграммой направленности в горизонтальной плоскости по форме, близкой к окружности, и может быть использована в качестве передающей, приемной или приемопередающей антенны в системах на УКВ и в СВЧ-диапазоне, в частности, в радиотелевизионных станциях, в системах слепой посадки самолетов, в аэродромных радионавигационных радиомаяках и др. Антенна содержит множество N пар проводящих пластин, образующих при соединении N щелей, множество М вертикальных стоек, верхний и нижний кронштейны, образующих совместно опору антенны, а также делитель мощности и фидеры. Щелевые излучатели обеспечивают согласование с фидером в 15% полосе частот с КСВ не более 1,05. 11 з.п. ф-лы, 17 ил.

1. Антенная система, содержащая множество пар проводящих пластин, каждая пара пластин расположена в одной из N плоскостей, где N≥1, делитель мощности и линии передачи электромагнитной энергии, отличающаяся тем, что дополнительно содержит множество М вертикальных стоек, где М≥2, N устройств согласования, верхний и нижний кронштейны, при этом множество N плоскостей образует пучок плоскостей с вертикальной осью, контур каждой пластины состоит из прямолинейной вертикальной кромки с уступом, верхней кромки, нижней кромки и прямолинейной вертикальной кромки, противолежащей кромке с уступом, каждая пластина вертикальной кромкой с уступом совмещена с упомянутой осью пучка, причем пластины гальванически соединены друг с другом с образованием уступами N щелей, к каждой щели подведена одна из упомянутых линий передачи, при этом внешний проводник на конце каждой линии передачи гальванически соединен с одной из пластин в каждой из упомянутых пар пластин, а центральный проводник соединен с соответствующим согласующим устройством, связанным гальванически со второй пластиной из упомянутой пары пластин, линии передачи своими вторыми концами соединены с делителем мощности, стойки соединены с верхним и нижним кронштейнами с образованием опоры антенны, пластины соединены с опорой антенны.

2. Антенная система по п.1, отличающаяся тем, что упомянутые пластины соединены с упомянутыми кронштейнами с образованием гальванического контакта.

3. Антенная система по п.1, отличающаяся тем, что упомянутые пластины соединены с упомянутыми стойками с образованием гальванического контакта.

4. Антенная система по п.1, отличающаяся тем, что упомянутые пластины соединены с упомянутыми стойками и с упомянутыми кронштейнами с образованием гальванического контакта.

5. Антенная система по п.1, отличающаяся тем, что в качестве согласующего устройства применен отрезок линии передачи.

6. Антенная система по п.1, отличающаяся тем, что в качестве линии передачи электромагнитной энергии применен коаксиальный кабель, в качестве согласующих устройств применены отрезки коаксиального кабеля.

7. Антенная система по п.1, содержащая первую и вторую металлические пластины, лежащие в первой плоскости, третью и четвертую металлические пластины, лежащие во второй плоскости, упомянутые первая и вторая плоскости образуют 90-градусные двугранные углы с вертикальной осью, четыре стойки, первый и второй коаксиальные кабели и делитель мощности с входом и первым и вторым синфазными равноамплитудными выходами, при этом разность длин первого и второго коаксиальных кабелей равна четверти длины волны на рабочей частоте; на первой, второй, третьей и четвертой пластинах на кромках, совмещенных с осью пересечения плоскостей, выполнены вырезы, образующие на упомянутых кромках уступы, упомянутые первая, вторая, третья и четвертая пластины гальванически соединены между собой кромками, на которых выполнены уступы, образуя при этом в плане крест и главную ось симметрии антенны, при этом уступы на первой и второй пластинах образуют первую щель, а уступы на третьей и четвертой пластинах в месте их соединения образуют вторую щель, причем оси щелей совпадают между собой и образуют главную ось симметрии антенны, упомянутые первая-четвертая пластины прямолинейными вертикальными кромками соединены со стойками, внешний проводник первого фидера гальванически соединен с первой пластиной в точке на краю первой щели, а центральный проводник продолжен в область щели и гальванически соединен с центральным проводником первого устройства согласования, внешний проводник которого гальванически соединен со второй пластиной, второй конец первого фидера соединен с первым выходом делителя мощности, внешний проводник второго фидера гальванически соединен с третьей пластиной, а центральный проводник продолжен в область щели и гальванически соединен с центральным проводником второго устройства согласования, внешний проводник которого гальванически соединен с четвертой пластиной, второй конец второго фидера соединен со вторым выходом делителя мощности.

8. Антенна по п.7, отличающаяся тем, что первая и вторая стойки расположены вне первой плоскости, третья и четвертая стойки расположены вне второй плоскости, при этом упомянутые стойки непосредственно не соединены с упомянутыми пластинами, первая-четвертая стойки соединены с нижним и верхним кронштейнами.

9. Антенна по п.6, отличающаяся тем, что первый и второй фидеры равны друг другу по длине, а в качестве делителя мощности применен 3 дБ квадратурный направленный ответвитель.

10. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит делитель мощности на Q направлений, где Q - целое число, Q квадратурных направленных 3 дБ ответвителей, Q соединительных фидеров, на первой, второй, третьей и четвертой пластинах выполнено на каждой по Q вырезов с образованием на одной из кромок каждой пластины Q уступов, уступы расположены на расстоянии друг от друга, большем половины длины волны, но меньшем или равном длине волны в свободном пространстве на рабочей частоте.

11. Антенная система по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит обтекатель.

12. Антенная система по п.11, отличающаяся тем, что содержит делитель мощности на 8 направлений, 8 фидеров, первые, вторые, третьи и четвертые пластины имеют размеры 4λх4λ (λ - длина волны), щели имеют размеры 0,5λ×04λ, щели расположены на расстоянии одной длины волны друг от друга на рабочей частоте, четыре фидера из упомянутых восьми фидеров отличаются по длине от остальных четырех фидеров на четверть длины волны, в качестве стоек применены алюминиевые швеллеры сечением 30×30 мм², швеллеры соединены между собой с помощью верхнего и нижнего кронштейнов и образуют опору антенны, швеллеры расположены по углам квадрата и широкой стороной (полочкой) обращены в сторону оси креста; каждый из восьми радиочастотных кабелей от делителя мощности, расположенного ниже нижнего кронштейна, выведен вверх через отверстие в нижнем кронштейне, проложен внутри соответствующего швеллера, через отверстие в широкой стенке швеллера выведен из него и проложен вдоль соответствующей пластины, при этом внешний проводник кабеля соединен с пластиной с образованием гальванического контакта, а центральный проводник соединен с центральным проводником согласующего отрезка фидера, внешний проводник которого гальванически соединен с другой пластиной, лежащей в одной плоскости с первой упомянутой пластиной, вторые концы кабелей соединены с делителем мощности на 8 направлений.