Этажерочная антенна круговой поляризации Российский патент 2018 года по МПК H01Q21/24 

Изобретение относится к антенной технике круговой поляризации с круговой диаграммой направленности и предназначено для использования в локальных беспроводных сетях, на транспортных средствах, в том числе на беспилотных летательных аппаратах, и в устройствах, используемых в сложной электромагнитной обстановке. Из уровня техники известна проблема недостаточности ненаправленных антенн в горизонтальной плоскости с круговой поляризацией и их низкими коэффициентами усиления.

Известна наиболее широко применяемая, с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости, при использовании круговой поляризации, Cloverleaf Antennas (http://www.antennatheory.com/antennas/cloverleaf.php), из четырех наклонных с изогнутыми дугами вибраторов, с восходящими до 45° проводниками их контуров, синфазно запитанных от общих клемм.

Недостатком известной антенны является низкий, меньший, чем у классического диполя, коэффициент усиления, повышенная эллиптичность и слабая нагрузочная механическая способность конструкции при скелетном исполнении на низких частотах рабочего диапазона.

Известна с круговой диаграммой направленности и повышенным коэффициентом усиления комбинированная судовая «квазиколлинеарная» антенна автоматической идентификационной системы (патент РФ №2556421, опубл. 10.07.15), содержащая синфазно возбуждаемые направленные зигзагообразные антенны с вибраторами, при протяженности плеч, равной λ/4. Составляющие комбинацию антенны развернуты вокруг оси относительно друг друга на угол π/2. Антенны разнесены по вертикали на λ/2 средней длины волны рабочего диапазона частот и электрически запитаны от несущей двухпроводной симметричной фидерной линии из трубчатых гофрированных проводников с общей протяженностью проводящей поверхности 3λ/4.

Недостатками известной антенны являются повышенная сложность и низкая механическая надежность конструкции при реализации линейной поляризации.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой в качестве изобретения антенне является антенна круговой поляризации квазишунтовой «клевер» (патент РФ №166256, опубл. 20.11.2016), содержащая четыре изогнутых вибратора в виде четвертьволновых линейных участков, соизмеримых по длине с полуволной дуговых участков, расположенных в наклонных плоскостях, и линейных четвертьволновых участков, сходящихся к общим клеммам питания. Точки перехода дуг к конечным линейным участкам дополнительно попарно соединены крест-накрест расположенными в плоскостях начальных четвертьволновых линейных участков соединительными проводниками, квазишунтами, коммутирующимися между собой в точке их пересечения, расположенной на оси пересечения плоскостей. Причем точка пересечения соединительных проводников по линии пересечения плоскостей соединена проводником с первой/второй клеммой питания.

Недостатком прототипа является низкий коэффициент усиления, меньший, чем у классического диполя, и повышенная эллиптичность, ограничивающие области применения.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, в уменьшении эллиптичности и повышении коэффициента усиления, увеличении надежности.

Технический результат изобретения достигается симметричным размещением противоположно друг другу/встречно друг другу идентичных антенн квазишунтовой «клевер», запитанных со сдвигом фаз на 180 градусов при разносе антенн, равном λ/2, от середин проводников соединения квазишунтов с клеммами питания каждой из антенн. Увеличенная надежность достигается укрепляющей каркасной обвязкой дополнительными проводящими элементами системы активных вибраторов.

Техническое решение этажерочной антенны круговой поляризации обеспечивается тем, что устройство антенны конструктивно реализовано в использовании первой антенны круговой поляризации квазишунтовой «клевер» из четырех изогнутых вибраторов, имеющих линейные начальные четвертьволновые участки, расположенные попарно во взаимно ортогональных плоскостях, исходящих из одной общей точки, являющейся первой клеммой питания, расположенной на линии пересечения плоскостей. Отходящие продолжением от линейных участков, соизмеримые по длине с полуволной, дуговые участки, расположенные в наклонных плоскостях, и линейные конечные четвертьволновые участки, сходящиеся к общей точке, являющейся второй клеммой питания, расположены на линии пересечения плоскостей, где точки перехода дуг к конечным линейным участкам дополнительно попарно соединены крест-накрест квазишунтами, расположенными в плоскостях начальных четвертьволновых линейных участков соединительными проводниками. Проводники квазишунтов коммутируются между собой в точке их пересечения, расположенной на оси пересечения плоскостей, и точка пересечения соединенных крест-накрест проводников, коммутированных между собой, соединена проводником с первой/второй клеммой питания. На несущем трубчатом проводнике, отходящем от точки пересечения крест-накрест соединенных проводников, симметрично антенне круговой поляризации квазишунтовой «клевер» размещена вторая идентичная антенна квазишунтовой «клевер», запитанная со сдвигом фаз на 180 градусов. Причем в обеих антеннах квазишунтовой «клевер» проводники соединения квазишунтов точек пересечения крест-накрест с первой/второй клеммами питания выполнены трубчатыми, а разнос антенн равен λ/2 от середин проводников соединения точек пересечения крест-накрест с клеммами питания каждой из антенн, при этом их питание осуществлено через фазосдвигающий делитель мощности, размещенный в трубчатом несущем проводнике.

Увеличенная надежность достигается тем, что в симметрично размещенных, противоположно друг другу, антеннах квазишунтовой «клевер» середины дуговых участков изогнутых вибраторов первой антенны соединены проводниками с противоположно расположенными серединами дуговых участков изогнутых вибраторов второй антенны.

Увеличенная надежность достигается и тем, что в симметрично размещенных, встречно друг другу, антеннах квазишунтовой «клевер» середины дуговых участков изогнутых вибраторов первой антенны соединены проводниками с серединами дуговых участков изогнутых вибраторов второй антенны, следующими за противоположными вибраторами, противоположно расположенными.

Дополнительно механическая надежность обеспечивается соединением середины соединительных проводников, соединяющих середины дуговых участков изогнутых вибраторов первой и второй антенн, с серединой несущего трубчатого проводника.

Фазосдвигающий делитель мощности, размещенный в трубчатом несущем проводнике, выполнен из отрезков коаксиального кабеля с разным волновым сопротивлением. Фазосдвигающий делитель мощности, размещенный в трубчатом несущем проводнике, также может быть выполнен в виде устройства внутренней трубы меньшего диаметра, изолированной от трубчатого несущего проводника, при прокладке внутри коаксиального кабеля. Коаксиальный кабель подключается на выходе оплеткой к трубе прокладки, а центральным проводником к трубчатому несущему проводнику, при этом линейные начальные четвертьволновые участки обеих антенн подключаются к трубчатому несущему проводнику, а линейные конечные четвертьволновые участки подключаются к внутренней трубе меньшего диаметра.

Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что устройство антенны конструктивно реализовано в использовании первой и второй идентичных антенн круговой поляризации квазишунтовой «клевер», с первой/второй клеммой питания в каждой, симметрично размещенных на оси пересечения взаимно ортогональных плоскостей, с расположенными попарно линейными участками изогнутых вибраторов.

Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что симметрично размещенные идентичные антенны квазишунтовой «клевер» расположены противоположно друг другу/встречно друг другу.

Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что расположенные коллинеарно, идентичные антенны квазишунтовой «клевер» запитаны со сдвигом фаз на 180 градусов.

Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что идентичные антенны квазишунтовой «клевер» разнесены на λ/2, от середин проводников, соединения квазишунтов с первой/второй клеммами питания каждой из антенн.

Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что кроме несущего трубчатого проводника проводники соединения точек пересечения крест-накрест квазишунтов с первой/второй клеммами питания выполнены трубчатыми, обеспечивая единую несущую трубчатую структуру.

Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что коммутация питания двух антенн осуществлена через фазосдвигающий делитель мощности, размещенный в трубчатом несущем проводнике.

Новизна в части устройства по изобретению усматривается в том, что фазосдвигающий делитель мощности размещен в трубчатом несущем проводнике.

Новизна в части устройства по изобретению усматривается также в том, что фазосдвигающий делитель мощности, размещенный в единой несущей трубчатой структуре - трубчатом несущем проводнике, выполнен в виде устройства внутренней трубы меньшего диаметра, изолированной от трубчатого несущего проводника, при прокладке внутри коаксиального кабеля, подключенного на выходе оплеткой к трубе прокладки, а центральным проводником к трубчатому несущему проводнику, при этом линейные начальные четвертьволновые участки обеих антенн подключаются к трубчатому несущему проводнику, а линейные конечные четвертьволновые участки подключаются к внутренней трубе меньшего диаметра.

Сочетание отличительных признаков и свойств как в заявленном устройстве этажерочной антенны круговой поляризации из технической, научной литературы и патентной документации не выявлено, поэтому оно соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.

Промышленная применимость заявленного технического решения усматривается в сравнительной простоте изготовления, тиражирования и эксплуатации, в повышенных электрических показателях, возможности использования на промышленной основе и конкурентоспособном уровне.

На фиг. 1 схематично представлен общий вид этажерочной антенны круговой поляризации при симметричном размещении противоположно друг другу антенн квазишунтовой «клевер», где середины дуговых участков изогнутых вибраторов первой антенны соединены проводниками с противоположно расположенными серединами дуговых участков изогнутых вибраторов второй антенны, а их середины соединены с серединой несущего трубчатого проводника. На фиг. 2 - диаграммы направленности антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях. На фиг. 3 - диаграммы направленности антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях, раздельно, для составляющих вертикальной и горизонтальной поляризаций. На фиг. 4 схематично представлен общий вид этажерочной антенны круговой поляризации при симметричном размещении встречно друг другу антенн квазишунтовой «клевер», где середины дуговых участков изогнутых вибраторов первой антенны соединены проводниками с противоположно расположенными серединами дуговых участков изогнутых вибраторов второй антенны, а их середины соединены с серединой несущего трубчатого проводника. На фиг. 5 - диаграммы направленности антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях. На фиг. 6 - диаграммы направленности антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях, раздельно, для составляющих вертикальной и горизонтальной поляризаций.

Этажерочная антенна круговой поляризации «Мурманский клевер» содержит антенну круговой поляризации квазишунтовой «клевер» «А», содержащую четыре изогнутых вибратора 1, имеющих линейные начальные четвертьволновые участки 2, расположенные попарно во взаимно ортогональных плоскостях 3, 4, исходящих из одной общей точки 5, являющейся первой клеммой питания «а». Точка 5 расположена на линии 6 пересечения плоскостей 3 и 4. Отходящие продолжением от линейных участков 2, соизмеримые по длине с полуволной дуговые участки 7 расположены в наклонных плоскостях (на фиг. 1 не показаны). Линейные конечные четвертьволновые участки 8, сходящиеся к общей точке 9, являющейся второй клеммой питания «б», расположены на линии 6 пересечения плоскостей 3 и 4. Точки перехода дуг к конечным линейным участкам 10 дополнительно попарно соединены крест-накрест расположенными в плоскостях 3 и 4 начальных четвертьволновых линейных участков 2 соединительными проводниками квазишунтов 11, коммутирующимися между собой в точке 12 их пересечения, расположенной на оси 6 пересечения плоскостей 3 и 4. Точка пересечения 12 соединительных проводников по линии пересечения плоскостей соединена проводником 13 со второй клеммой питания «б» или с первой клеммой питания «а». На отходящем от точки 12 пересечения крест-накрест несущем трубчатом проводнике 14, соединительных проводников квазишунтов 11, симметрично первой антенне круговой поляризации квазишунтовой «клевер» «А», размещена вторая идентичная антенна квазишунтовой «клевер» «A'», запитанная со сдвигом фаз на 180 градусов. В обеих антеннах квазишунтовой «клевер» проводники 13 соединения точек 12 пересечения крест-накрест проводников квазишунтов 11 с первой «а»/второй «б» клеммами питания выполнены трубчатыми. Разнос антенн равен λ/2, от середин «г» - «г'» проводников 13 соединения точек 12 пересечения крест-накрест с клеммами питания «а» - «б», «a'» - «б'», каждой из антенн «А» - «A'», при этом их питание осуществлено через фазосдвигающий делитель мощности (на эскизе не показан), размещенный в трубчатом несущем проводнике 14.

В соответствии с изобретением в симметрично размещенных противоположно друг другу антеннах квазишунтовой «клевер» «А» - «A'» середины дуговых участков «в» изогнутых вибраторов первой антенны «А» соединены проводниками 15 с противоположно расположенными серединами «в'» дуговых участков изогнутых вибраторов второй антенны «А^'».

В соответствии с изобретением в симметрично размещенных встречно друг другу антеннах квазишунтовой «клевер» «А» - «A'» середины дуговых участков «в» изогнутых вибраторов первой антенны «А» соединены проводниками 16 с серединами дуговых участков «в'» изогнутых вибраторов второй антенны «A'», следующими за противоположными вибраторами, противоположно расположенными.

В соответствии с изобретением, в симметрично размещенных антеннах квазишунтовой «клевер» «А» - «А'» середины «д» соединительных проводников 15/16, соединяющих середины дуговых участков «в» - «в'» изогнутых вибраторов первой «А» и второй «А'» антенн, соединены с серединой «о» несущего трубчатого проводника 14.

В соответствии с изобретением фазосдвигающий делитель мощности, размещенный в трубчатом несущем проводнике, выполнен из отрезков коаксиального кабеля с разным волновым сопротивлением всем известными способами и на рисунках не показан.

В соответствии с изобретением фазосдвигающий делитель мощности, размещенный в трубчатом несущем проводнике, выполненный в виде устройства внутренней трубы меньшего диаметра 17, изолированной от трубчатого несущего проводника 14, при прокладке внутри коаксиального кабеля (на рисунках не показан), подключенного на выходе оплеткой к клемме «а» трубы прокладки 17, а центральным проводником к клемме «б» трубчатого проводника 13, являющего продолжением несущего трубчатого проводника 14, при этом линейные начальные четвертьволновые участки 2 обеих антенн «А» - «A'» подключаются к трубчатому проводнику 13, а линейные конечные четвертьволновые участки 8 подключаются к внутренней трубе меньшего диаметра 17.

Этажерочная антенна круговой поляризации «Мурманский клевер», при максимальном элементном конструктивном исполнении, работает следующим образом. При подключении высокочастотного генератора (на рисунках не показан) к клеммам питания «а» - «б» антенны круговой поляризации квазишунтовой «клевер» «А», токи в линейных начальных четвертьволновых участках 2, расположенных попарно во взаимно ортогональных плоскостях 3, 4, исходящих из одной общей точки 5, являющейся первой клеммой питания «а», попарно в каждой плоскости текут в противоположные стороны (фиг. 1). В силу равенства токов происходит компенсация излучения электромагнитной волны с вектором горизонтальной поляризации. Токи в отходящих продолжением от линейных участков 2, соизмеримых по длине с полуволной дуговых участках 7, расположенных в наклонных плоскостях (на фиг. 1 не показаны), попарно разнесенных на расстояние, соизмеримое с λ/2, и попарно с противоположными наклонами, создают излучение электромагнитной волны с вращающимся вектором поляризации и с фазовым центром в узле питания с клеммами питания «а» - «б». Токи в линейных конечных четвертьволновых участках 8, сходящихся к общей точке 9, расположенных под углом, пространственно раскладываются на составляющие излучения электромагнитной волны с векторами вертикальной и горизонтальной поляризации. При этом в силу равенства токов происходит компенсация излучения электромагнитной волны с вектором горизонтальной поляризации. Токи в соединительных проводниках квазингунтов 11 так же равны, попарно противоположны и подобно линейным начальным четвертьволновым участкам 2 не создают излучения. В свою очередь не скомпенсированное, являющееся паразитным излучение электромагнитной волны с векторами вертикальной поляризации от линейных конечных четвертьволновых участков 8, накладываясь на излучение электромагнитной волны с вращающимся вектором поляризации от дуговых участков 7, нарушает равенство составляющих вращающегося вектора поляризации, создавая эллиптическую поляризацию, с вертикальной ориентацией большой оси. Таким образом, использование одной антенны круговой поляризации «клевер» обеспечивает излучение электромагнитной волны с эллиптической поляризацией. В симметрично размещенных, противоположно друг другу/встречно друг другу, антеннах квазишунтовой «клевер» «А» - «A'» токи в обоих случаях, в линейных конечных четвертьволновых участках 8, антенн «А» - «A'», будут противоположными, то есть способными скомпенсировать паразитное излучение электромагнитной волны с вектором вертикальной поляризации, уменьшая эллиптичность круговой поляризации излучения электромагнитной волны. Дополнительно к этому, пространственный разнос по вертикали совместно используемых идентичных антенн, как в фазированной решетке, увеличивает апертуру, что влечет и увеличение коэффициента усиления, где он наибольший (фиг. 2), при симметричном размещении противоположно друг другу антенн квазишунтовой «клевер». При этом (фиг. 3) относительно одиночного квазишунтового «клевера» влияние паразитной поляризации уменьшилось в два раза. Пространственный разнос по вертикали совместно используемых идентичных антенн при симметричном размещении встречно друг другу антенн квазишунтовой «клевер» создает меньшую апертуру, и поэтому коэффициент усиления также уменьшенный (фиг. 4). В свою очередь, более близкое расположение конечных четвертьволновых участков 8 антенн «А» - «A'», сходящихся к общей точке 9, расположенных под углом, обеспечивает более полную компенсацию паразитной вертикальной поляризации, и в такой антенне практически круговая поляризация. Что подтверждается результатами (фиг. 5, 6) из анализа диаграмм направленностей. Для повышения жесткости конструкции точки нулевого потенциала «в» - «в'» антенн квазишунтовой «клевер» «А» - «А'» соединяются, но ввиду запитки антенн со сдвигом фаз 180 градусов, то длина соединительного проводника должна быть соизмерима с λ/2, что при симметричном размещении антенн «А» - «А'», противоположно друг другу, обеспечивается соединением противоположно расположенных серединами «в» - «в'» дуговых участков 7 изогнутых вибраторов 1 проводниками 15 (фиг. 1). При симметричном размещении антенн «А» - «A'», встречно друг другу, это условие обеспечивается соединением следующих за противоположно расположенными вибраторами 1, во второй антенне «А'», середин «в'», дуговых участков 7 проводниками 16 (фиг. 4). С учетом симметрии конструкции этажерочной антенны круговой поляризации с центром симметрии в точке «о» его можно соединить проводниками со средними точками «д» проводников 15,16 (фиг. 2, 4). Такими соединениями реализуется каркас, обеспечивающий жесткость конструкции и повышающий механическую надежность предложенной этажерочной антенны круговой поляризации.

Результаты электронного моделирования (фиг. 2, 3, 5, 6) полностью подтверждают анализ работы этажерочной антенны круговой поляризации с круговой диаграммой направленности и повышенным коэффициентом усиления, при увеличенной конструктивной надежности.

Создан действующий макет заявляемой в качестве изобретения антенны, который при практических испытаниях полностью подтвердил результаты электронного моделирования.

Изобретение относится к антенной технике. Антенна содержит излучатель круговой поляризации квазишунтовой «клевер» из четырех изогнутых вибраторов, имеющих линейные начальные четвертьволновые участки, расположенные попарно во взаимно ортогональных плоскостях, исходящих из одной общей точки, являющейся первой клеммой питания, расположенной на линии пересечения плоскостей, отходящие продолжением от линейных участков, соизмеримые по длине с полуволной дуговые участки, расположенные в наклонных плоскостях, и линейные конечные четвертьволновые участки, сходящиеся к общей точке, являющейся второй клеммой питания, расположенной на линии пересечения плоскостей, где точки перехода дуг к конечным линейным участкам дополнительно попарно соединены крест-накрест расположенными в плоскостях начальных четвертьволновых линейных участков соединительными проводниками, коммутирующимися между собой в точке их пересечения, расположенной на оси, и точка пересечения соединительных, соединенных крест-накрест проводников, коммутированных между собой, соединена проводником с первой/второй клеммой питания. На несущем трубчатом проводнике, отходящем от точки пересечения крест-накрест соединительных проводников, симметрично антенне круговой поляризации квазишунтовой «клевер» размещена вторая идентичная антенна квазишунтовой «клевер», запитанная со сдвигом фаз на 180 градусов, причем в обеих антеннах квазишунтовой «клевер», проводники соединения точек пересечения крест-накрест с первой/второй клеммами питания выполнены трубчатыми, а разнос антенн равен λ/2 от середин проводников соединения точек пересечения крест-накрест с клеммами питания каждой из антенн, при этом их питание осуществлено через фазосдвигающий делитель мощности, размещенный в трубчатом несущем проводнике. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Этажерочная антенна круговой поляризации, содержащая антенну круговой поляризации квазишунтовой «клевер» из четырех изогнутых вибраторов, имеющих линейные начальные четвертьволновые участки, расположенные попарно во взаимно ортогональных плоскостях, исходящих из одной общей точки, являющейся первой клеммой питания, расположенной на линии пересечения плоскостей, отходящие продолжением от линейных участков, соизмеримые по длине с полуволной дуговые участки, расположенные в наклонных плоскостях, и линейные конечные четвертьволновые участки, сходящиеся к общей точке, являющейся второй клеммой питания, расположенной на линии пересечения плоскостей, где точки перехода дуг к конечным линейным участкам дополнительно попарно соединены крест-накрест расположенными в плоскостях начальных четвертьволновых линейных участков соединительными проводниками, коммутирующимися между собой в точке их пересечения, расположенной на оси, и точка пересечения соединительных, соединенных крест накрест проводников, коммутированных между собой, соединена проводником с первой/второй клеммой питания, отличающаяся тем, что на несущем трубчатом проводнике, отходящем от точки пересечения крест-накрест соединительных проводников, симметрично антенне круговой поляризации квазишунтовой «клевер», размещена вторая идентичная антенна квазишунтовой «клевер», запитанная со сдвигом фаз на 180 градусов, причем в обеих антеннах квазишунтовой «клевер» проводники соединения точек пересечения крест-накрест с первой/второй клеммами питания выполнены трубчатыми, а разнос антенн равен λ/2 от середин проводников соединения точек пересечения крест-накрест с клеммами питания каждой из антенн, при этом их питание осуществлено через фазосдвигающий делитель мощности, размещенный в трубчатом несущем проводнике.

2. Этажерочная антенна по п. 1, отличающаяся тем, что в симметрично размещенных противоположно друг другу антеннах квазишунтовой «клевер» середины дуговых участков изогнутых вибраторов первой антенны соединены проводниками с противоположно расположенными серединами дуговых участков изогнутых вибраторов второй антенны.

3. Этажерочная антенна по п. 1, отличающаяся тем, что в симметрично размещенных встречно друг другу антеннах квазишунтовой «клевер» середины дуговых участков изогнутых вибраторов первой антенны соединены проводниками с серединами дуговых участков изогнутых вибраторов второй антенны, следующими за противоположными вибраторами, противоположно расположенными.

4. Этажерочная антенна по пп. 2, 3, отличающаяся тем, что середины соединительных проводников, соединяющих середины дуговых участков изогнутых вибраторов первой и второй антенн, соединены с серединой несущего трубчатого проводника.

5. Этажерочная антенна по пп. 2, 3, отличающаяся тем, что фазосдвигающий делитель мощности, размещенный в трубчатом несущем проводнике, выполнен из отрезков коаксиального кабеля с разным волновым сопротивлением.

6. Этажерочная антенна по п. 2, отличающаяся тем, что фазосдвигающий делитель мощности, размещенный в трубчатом несущем проводнике, выполнен в виде устройства внутренней трубы меньшего диаметра, изолированной от трубчатого несущего проводника, при прокладке внутри коаксиального кабеля, подключенного на выходе оплеткой к трубе прокладки, а центральным проводником к трубчатому несущему проводнику, при этом линейные начальные четвертьволновые участки обеих антенн подключаются к трубчатому несущему проводнику, а линейные конечные четвертьволновые участки подключаются к внутренней трубе меньшего диаметра.