Способ уменьшения влияния металлических конструкций на параметры близкорасположенных антенн УКВ-диапазона Российский патент 2019 года по МПК H01Q1/52 

Предлагаемое устройство относится к области антенной техники и может быть использовано, например, в системах ведомственной, корпоративной и мобильной связи.

Системы и средства связи, работающие в различных диапазонах частот, требуют применения индивидуальных антенн и антенных устройств различного типа. При этом антенны некоторых типов (штыревая) могут устанавливаться непосредственно, например, на крышах транспортных средств. Антенны других типов (дипольные, рамочные, параболические и пр.) часто требуют их размещения на металлических конструкциях (подставках, мачтах) различной высоты. В силу ограниченности размеров имеющегося пространства на транспортных средствах или на крышах небольших зданий, применяемые антенны располагаются в непосредственной близости от металлических вертикальных конструкций, и протекающие по этим конструкциям токи приводят к их заметному влиянию на параметры антенн, выражающемуся в искажении диаграммы направленности и ухудшению согласования. Это особенно актуально для штыревых антенн УКВ-диапазона, использующих в качестве противовеса металлическую подстилающую поверхность, например, крышу транспортного средства, поскольку в этом случае близкорасположенная металлическая конструкция электрически является частью противовеса, и, соответственно, токи, протекающие по ней, имеют значительную величину. Для широкополосных антенн, к тому же, вероятность то-го, что резонансная частота близкорасположенной металлической конструкции попадает в рабочий диапазон антенны или близка к нему, выше, чем для узкополосных. Это требует принятия мер по уменьшению действия отрицательных факторов.

Известны способы уменьшения влияния вертикальных конструкций на параметры антенн.

Наиболее очевидный способ - разнос на максимально возможное расстояние - не всегда осуществим в силу ограниченного пространства на транспортных средствах и на крышах зданий.

Для антенн, размещенных на вертикальных конструкциях (мачтах), не лежащих на поверхности нулевого потенциала, (например, дипольных антенн вертикальной поляризации), для уменьшения влияния мачты на параметры антенны применяют диэлектрические мачты и различные способы уменьшения связи с мачтами (развязка).

Для уменьшения антенного эффекта фидера применяются способы нейтрализации протекающих по внешней поверхности фидера токов. Это симметрирующие устройства (balun) различных типов (четвертьволновый стакан, U-колено и др.), в том числе в виде сосредоточенной индуктивности. Например, широкополосное симметрирующее устройство, в котором коаксиальный кабель, образующий внутреннюю жилу симметрирующего коаксиального резонатора, выполнен в виде цилиндрической катушки индуктивности (патент №117711 СССР от 01.01.1958, автор Э.А. Дудковский); симметрирующее устройство по а.с. №150886 СССР от 01.01.1962, автор Ю.Р. Мединец.

Вышеперечисленные способы улучшения параметров антенн применяются либо для системы "фидер - антенна" (симметрирующие устройства), либо для системы "антенна - несущая конструкция" (устройства развязки) и не затрагивают электрические свойства близкорасположенных металлических конструкций, и влияние их на антенну они не устраняют.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является функционирование антенны по патенту 2207671, H01Q 1/52.

На фиг. 1 представлена электрическая схема антенны-прототипа, где обозначено:

1 - излучающие фрагменты;

2 - ключевые элементы;

3 - отрезки проводов;

4 - высокочастотные фильтры-дроссели;

5 - токоограничивающие резисторы.

Антенна-прототип содержит излучающие фрагменты 1, соединенные высокочастотными ключевыми элементами 2, каждый из которых соединен посредством отрезков проводов 3, высокочастотных фильтров-дросселей 4 и токоограничивающих резисторов 5 со схемой управления. (На фиг. 1 условно показан только один токоограничивающий резистор 5).

Антенна-прототип работает следующим образом.

Для того чтобы привести антенну в активный режим, т.е. обеспечить ее работу на прием или передачу, на высокочастотные ключевые элементы 2 подается замыкающее напряжение от схемы управления, в результате чего излучающие фрагменты 1 соединяются между собой и образуют единый излучатель (первый режим работы). В этом режиме антенна влияет на близкорасположенные антенны как обычная антенна. По окончании работы антенна отключается от фидерного тракта, на высокочастотные ключевые элементы 2 от схемы управления подается соответствующее размыкающее напряжение, в результате чего антенна как бы распадается на части, величина которых менее одной шестнадцатой длины волны, соответствующей верхней частоте рабочего диапазона близкорасположенной антенны (второй режим работы). Во втором режиме полоса рабочих частот антенны смещается вверх по частотному диапазону и выходит за пределы прежней рабочей полосы частот.

Недостатками способа-прототипа является то, что:

- уменьшается влияние предлагаемой антенны, т.е. источника излучения, на свойства других, близкорасположенных к ним антенн, но не влияние окружающих антенну тел на ее свойства;

- уменьшение влияния обеспечивается путем существенного усложнения конструкции предлагаемой антенны;

- влияние пассивных металлических тел на свойства близкорасположенных к ним антенн, остается неизменным.

Задача - упрощение способа уменьшения влияния металлических конструкций на параметры близкорасположенных антенн УКВ-диапазона без изменения взаимного расположения антенны и мешающих конструкций, а также без вмешательства в конструкцию антенны и ее мачтового устройства.

Для решения поставленной задачи в способе уменьшения влияния металлических конструкций на электрические и электродинамические параметры близкорасположенных антенн, заключающемся в разнесении резонансных частот металлических конструкций от рабочей частоты антенны посредством разрыва протекающих в них токов, а также посредством «отрыва» металлической конструкции от противовеса для штыревой антенны, согласно изобретению, разрыв протекающих токов обеспечивают созданием на внешней поверхности металлических конструкций сосредоточенных или распределенных индуктивностей посредством применения ферритовых колец, установленных на металлические конструкции.

Заявляемый способ заключается в следующем.

Предлагается использовать для вертикальных конструкций, не относящихся к антенне, повышение резонансной частоты металлической конструкции посредством разрыва в одном или нескольких местах протекающих в них токов, обусловленных как наведенной ЭДС от близкорасположенной антенны, так и принадлежностью конструкции противовесу (для штыревых антенн). Для штыревых антенн в первую очередь важно электрически "оторвать" мешающую металлическую конструкцию от "земли". Вертикальный размер получившихся частей должен быть <<λ_ант/4 с тем, чтобы разнести как можно далее их резонансные частоты от рабочей частоты антенны. Получившиеся укороченные металлические отрезки будут иметь частоту возбуждения значительно более высокую, чем рабочая частота антенны. Связь их с антенной существенно ослабляется.

При этом разрыв токов основан на создании на внешней поверхности металлических конструкций сосредоточенных или распределенных индуктивностей посредством применения ферритовых материалов. При этом для металлических конструкций небольшого поперечного размера (трубы, мачты, в том числе мачты и подставки близкорасположенных антенн), удобно использовать стандартные ферритовые кольца (фиг. 2). Для конструкций большого поперечного размера (ящики, короба, кожухи габаритных устройств, например, дизельных электроагрегатов, кондиционеров и пр.) возможно применение ферритовых пластин, располагаемых по периметру и образующих замкнутый контур вокруг металлической конструкции (фиг. 3).

Техническим результатом предлагаемого способа является уменьшение влияния металлических конструкций, расположенных в непосредственной близости от антенн, на электрические и электродинамические характеристики этих антенн.

Отличительной особенностью предлагаемого способа уменьшения влияния близкорасположенных металлических конструкций на параметры антенн является достижение эффекта без изменения взаимного расположения антенны и мешающих конструкций, а также без вмешательства в конструкцию антенны и ее мачтового устройства.

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано, например, в системах ведомственной, корпоративной и мобильной связи. Технический результат заключается в уменьшении влияния близкорасположенных металлических конструкций на электрические и электродинамические параметры антенн. Сущность изобретения заключается в уменьшении влияния близкорасположенных металлических конструкций на электрические и электродинамические параметры антенн за счет повышения резонансных частот вертикальных элементов конструкций до величин, много больших верхней рабочей частоты антенны, путем разрыва протекающих в них токов, обусловленных работающей близкорасположенной антенной, а также «отрыва» металлической конструкции от противовеса, при помощи создания на внешней поверхности металлических конструкций сосредоточенных или распределенных индуктивностей посредством применения ферритовых колец, установленных на металлические конструкции. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ уменьшения влияния металлических конструкций на электрические и электродинамические параметры близкорасположенных антенн, заключающийся в разнесении резонансных частот металлических конструкций от рабочей частоты антенны посредством разрыва протекающих в них токов, а также посредством «отрыва» металлической конструкции от противовеса для штыревой антенны, отличающийся тем, что разрыв протекающих токов обеспечивают созданием на внешней поверхности металлических конструкций сосредоточенных или распределенных индуктивностей посредством применения ферритовых колец, установленных на металлические конструкции.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве ферритовых колец большого размера используют набор ферритовых пластин, образующих замкнутый контур вокруг металлической конструкции.