Конструкция антенной мачты с уменьшенным влиянием на параметры установленных антенн Российский патент 2023 года по МПК H01Q3/00 

Предлагаемое устройство относится к области антенной техники и может быть использовано, например, в корпоративной, мобильной связи, а также в системах связи специального назначения.

Системы и средства связи, работающие в различных диапазонах частот, требуют применения антенных устройств различного типа. Антенны некоторых типов, (например, штыревая), для которых необходимо наличие противовеса, могут устанавливаться непосредственно на крышах транспортных средств. Антенны других типов (дипольная, параболическая и др.), напротив, с целью уменьшения влияния подстилающей металлической поверхности, а также для увеличения дальности связи устанавливаются на различного рода мачтах и стойках.

При этом, мачты представляют собой, как правило, металлические конструкции различного исполнения, чаще всего выполненные из металлической трубы относительно небольшого диаметра, как наиболее механически прочные и при этом достаточно технологичные в изготовлении.

Являясь электрически проводящими, они способны оказывать заметное влияние на параметры установленных на них антенн некоторых типов. Причем это влияние может проявляться, порой, даже в неочевидных случаях.

Так, например, для вертикального диполя, часто применяемого в антенной практике, характерно то, что, несмотря на соосное расположение антенны и мачты, полностью устранить влияние на него мачты невозможно без применения дополнительных мер. Протекающие по мачте токи участвуют в излучении, и суммарная диаграмма направленности системы антенна - мачта будет иметь повышенный уровень излучения в направлениях, отличных от горизонтального. Форма диаграммы направленности зависит от длины мачты, в зависимости от того, сколько волн укладывается по ее длине. Если антенна поднята не слишком высоко над крышей транспортного средства, то отраженное от нее поле с повышенным уровнем в негоризонтальном направлении еще более ухудшает диаграмму направленности. Для решения проблемы увеличивают длину нижнего плеча, а также при помощи металлических вставок корректируют длину пути тока по внутренней поверхности диполя. Однако всё же полностью связь антенны с мачтой при этом не разрывается.

Ещё более эта проблема проявляется при установке на мачту других типов антенн, облучающих её со стороны либо отраженной от рефлектора волной, либо активным излучателем, как, например, в кольцевых антенных решетках.

Уменьшение влияния металлической мачты на параметры антенны может быть обеспечено посредством разрыва токов, протекающих по поверхности мачты. Известен ряд устройств, обеспечивающих разрыв токов, протекающих по поверхности металлических проводников.

Большую группу подобных устройств представляют устройства симметрирования для антенн, питаемых коаксиальным кабелем. Простым и широко распространённым способом симметрирования является применение так называемого запирающего цилиндра [1]. В таком устройстве на внешнюю оболочку фидера надевается с небольшим зазором короткозамкнутый цилиндр длиной в четверть волны. Этот цилиндр (стакан) устраняет вытекание тока из внутренней поверхности оболочки фидера на его наружную поверхность, так как создает большое сопротивление току. При работе на УКВ запирающий цилиндр может одновременно использоваться в качестве одного из плеч симметричного вибратора. Для повышения симметрирующего действия иногда вместо одиночного запирающего цилиндра применяют последовательное включение двух запирающих цилиндров [2].

В устройстве [3] для нейтрализации антенного эффекта фидера предлагается использовать ферритовые кольца, либо просто надеваемые на оплётку, либо с несколькими витками кабеля на них. Создавая на высокой частоте большое сопротивление, данное устройство препятствует прохождению тока по внешней поверхности фидера, уменьшая связь фидера с антенной.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому устройству является управляемый пассивный элемент для антенных устройств с переключаемой диаграммой направленности [4], принятый за прототип.

На фиг. 1 изображен пассивный вибратор (антенный элемент), состоящий из первого 1.1 и второго 2 проводников длиной ~ 0.5 λ, расположенных параллельно на расстоянии порядка 0.005 λ друг от друга. Второй проводник 2 имеет зазор посередине порядка 0.04 λ. На концах обоих проводников имеются коммутирующие элементы 3 (ВЧ-реле, герконы, pin-диоды), именуемые в дальнейшем «перемычка». При замыкании перемычек (коммутирующих элементов) 3 пассивный вибратор превращается в петлевой вибратор с близко расположенными проводниками.

Функционирование устройства-прототипа происходит следующим образом.

Если перемычки 3 разомкнуты, то для падающей волны электрические свойства данного пассивного вибратора в силу малости расстояния между проводниками идентичны свойствам одиночного проводника, и пассивный вибратор становится рефлектором для активного вибратора.

При замкнутых перемычках 3 суммарный ток, наведенный в проводниках пассивного вибратора, имеет распределение, отличное от распределения тока в одиночном проводнике, и собственная частота возбуждения пассивного вибратора выходит за пределы рабочего диапазона. Такой пассивный вибратор перестает играть роль рефлектора для активного вибратора и обладает свойством малого взаимодействия с падающей волной на данной частоте («незаметностью»).

Недостатком устройства-прототипа является то, что, обладая способностью обеспечивать при замкнутых перемычках своё малое взаимодействие с падающей волной, оно действует лишь в пределах занимаемого им объёма и не затрагивает свойства близкорасположенных металлических предметов, в первую очередь антенной мачты, которая, вследствие наличия протекающих по ней наведённых токов, может вносить заметные искажения в диаграмму направленности антенны, а также ухудшать параметры согласования.

Задача предлагаемого способа - уменьшение влияние антенной мачты на параметры антенны, установленной на ней.

Для решения поставленной задачи, в конструкции антенной мачты с уменьшенным влиянием на параметры установленных антенн, содержащей антенный элемент, который состоит из первого проводника, расположенного параллельно второму проводнику длиной порядка 0.5 λ с зазором посредине, согласно изобретению, по меньшей мере, один второй проводник постоянно электрически соединен с соответствующим участком антенной мачты своими концами, при этом в качестве первого проводника использован этот участок мачты.

Предлагаемое устройство представлено на фиг. 2, где обозначено:

1 - антенная мачта;

2.1…2.2 - вторые проводники с зазором.

Заявляемое устройство содержит антенную мачту 1, на которой, параллельно ей, установлен, по меньшей мере, один антенный элемент, состоящий из второго проводника 2 с зазором посередине, длиной ~ 0.5 λ, и имеющий на концах постоянное электрическое соединение с антенной мачтой. Проводники крепятся на антенную мачту 1 любым способом, обеспечивающим надежный электрический контакт: сварка, пайка, болтовое соединение и т.п. При этом участок антенной мачты 1 с установленными вторыми проводниками 2 играет роль первого проводника антенного элемента, работающего в режиме малого взаимодействия с падающей электромагнитной волной («незаметности»).

Функционирование предлагаемого устройства происходит следующим образом.

Образование антенного элемента на участке антенной мачты 1 совместно со вторыми проводниками 2, установленными параллельно мачте, аналогичного «управляемому пассивному элементу с изменяемыми характеристиками», работающего в режиме малого взаимодействия с падающей электромагнитной волной («незаметности»), обеспечивает отсутствие (или, по крайней мере, существенное уменьшение) протекающих по мачте токов, что обеспечивает уменьшение влияния мачты на параметры установленных антенн.

Вторые проводники 2 устанавливаются вдоль мачты 1 в непосредственной близости друг от друга.

Техническим результатом предлагаемого устройства является уменьшение влияния антенной мачты на электрические и электродинамические параметры установленных на ней антенн.

На фиг. 3 для иллюстрации показаны диаграммы направленности в вертикальной плоскости для диполя, располагаемого на мачте соосно с ней.

На фиг. 3 а) показан диполь на мачте без второго проводника и его диаграмма направленности при оптимизированной длине нижнего плеча диполя.

На фиг. 3 б) показан диполь на мачте со вторым проводником и его диаграмма направленности.

На фиг. 4 для иллюстрации показаны диаграммы направленности в вертикальной плоскости для диполя, располагаемого на мачте на расстоянии 0,25 λ от неё.

На фиг. 4 а) показан диполь на мачте без второго проводника и его диаграмма направленности.

На фиг. 4 б) показан диполь на мачте со вторым проводником и его диаграмма направленности.

Источники информации

1. Айзенберг, Антенны УКВ / Г.З. Айзенберг, В.Г. Ямпольский, О.Н. Терёшин под ред. Г.З. Айзенберга. Ч.1. М., «Связь», 1977. - С. 172.

2. Антенны / Н.П. Гавеля, А.Д. Истрашкин, Ю.К. Муравьев, В.П. Серков; под ред. Ю.К. Муравьева; Воен. Краснознам. акад. связи. - Ленинград: [б. и.], 1963. - 2 т.; 24 см. Ч. 1. - 1963. - С. 591.

3. Мединец Ю.Р., Симметрирующее устройство. 150886, заявл. 14.11.1961, опубл. 01.01.1962.

4. Патент РФ 2695026, H01Q 3/00, H 01Q 3/242 (прототип).

Использование: предлагаемое устройство относится к области антенной техники и может быть использовано, например, в корпоративной, мобильной связи, а также в системах связи специального назначения. Технический результат: уменьшение влияния антенной мачты на электрические и электродинамические параметры установленных на ней антенн. Сущность: в заявленном решении параллельно антенной мачте (1) размещают, по меньшей мере, один второй проводник (2), концы которого постоянно электрически соединены с соответствующим участком антенной мачты, при этом в качестве первого проводника использован этот участок мачты. Причем второй проводник имеет длину порядка 0.5 λ с зазором посередине. 4 ил.

Конструкция антенной мачты с уменьшенным влиянием на параметры установленных антенн, содержащая антенный элемент, который состоит из первого проводника, расположенного параллельно второму проводнику длиной порядка 0.5 λ с зазором посредине, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, один второй проводник постоянно электрически соединен с соответствующим участком антенной мачты своими концами, при этом в качестве первого проводника использован этот участок мачты.