Результат интеллектуальной деятельности: СВЕРХШИРОКОПОЛОСНАЯ АНТЕННА ДИАПАЗОНА ДМВ2

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к широкополосным антеннам приемопередающих устройств для связи между стационарными объектами или наземными объектами с изменяющимся во времени их взаимным расположением, функционирующих в диапазоне ДМВ2. Изобретение относится к антеннам с вертикальной поляризацией и круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости.

Известны антенны диапазона ДМВ2, использующие несимметричный вибратор с широкополосным согласующим устройством в основании, например, MVDP500X6 фирмы Hascall-Denke (США), WB525G фирмы С О JOT (Финляндия), AD-64/A фирмы TRIVAL ANTENE (Словения), RF-3186-AT320 фирмы HARRIS (США) (источники информации в сети Интернет: www.hascall-denke.com, www.coiot.com, www.trivalantene.si, www.rf.harris.com).

Наиболее полно технические характеристики приведены для антенны MVDP500X6 фирмы Hascall-Denke: коэффициент стоячей волны (КСВ) в диапазоне частот не более 3,0, коэффициент усиления Ку находится в пределах от -1,5 до 2,5 дБи. Необходимо отметить, что Ку приведен не в направлении горизонта, а в направлении максимального усиления, что следует из графика, приведенного в спецификации антенны, на котором виден «провал» в направлении горизонта более -10 дБи на частоте 2450 МГц. На практике для получения необходимой дальности связи важен Ку именно в направлении горизонта.

Несимметричный вибратор с широкополосным согласующим устройством в основании имеет небольшой диаметр, но обладает небольшим коэффициентом перекрытия по частотному диапазону. Кроме того, в таком устройстве неизбежны дополнительные потери в широкополосном согласующем устройстве.

Использование дипольных схем, построенных с использованием коаксиальных излучателей цилиндрической формы, известно давно (см., например, патенты США US 2462865, US 3100893). Однако такие схемы имеют недостаточно большой коэффициент перекрытия по частоте, диаграмму направленности с дроблением главного лепестка, невысокий коэффициент усиления в направлении горизонта.

Из патента РФ RU 2629893 известна сверхширокополосная антенна ДМВ2, построенная на одном диполе, который выполнен с использованием трех излучающих элементов. В этой антенне три излучающих элемента расположены на одной продольной оси, ориентированной вертикально. Первый нижний излучающий элемент выполнен в виде перевернутого стакана. Второй излучающий элемент выполнен в виде стакана, обращенного своим днищем к днищу перевернутого стакана первого нижнего излучающего элемента. Третий излучающий элемент - стержень, выполненный цилиндрическим, один конец которого, нижний, соединен с днищем стакана второго излучающего элемента, а другой конец, верхний, расположен снаружи этого стакана. Коаксиальный кабель пропущен внутри перевернутого стакана первого нижнего излучающего элемента. Оплетка коаксиального кабеля соединена с днищем перевернутого стакана, а центральная жила коаксиального кабеля через отверстие в днище перевернутого стакана соединена с днищем стакана второго излучающего элемента. Стержень выполнен ступенчатым, причем ступенька расположена внутри стакана второго излучающего элемента.

Длина стакана второго излучающего элемента выполнена меньшей, чем длина перевернутого стакана первого нижнего излучающего элемента. Преимуществами этой антенны являются большой коэффициент перекрытия по частоте и обеспечение диаграммы направленности без дробления главного лепестка.

Ограничениями антенны согласно RU2629893 являются недостаточно большой коэффициент усиления в направлении горизонта (Ку от -2 до 3 дБи), а его диаграмма направленности зависит от формы и размеров площадки подстилающей поверхности, на которой антенна установлена.

Наиболее близкой заявленному техническому решению является широкополосная антенна, описанная в публикации международной заявки WO 2004010527 и содержащая несколько диполей, расположенных на продольной оси, ориентированных вертикально. Каждый из диполей антенны выполнен из двух излучающих элементов, цилиндрических и полых, установленных с зазором между ними, которые электрически подсоединены посредством фидерной линии. В этой антенне диполи электрически подсоединены последовательно, а ее диапазон рабочих частот (широкополосность) 500-2500 МГц достигается за счет выбора большого количества диполей, например, от пяти до семи. Значение КСВ такой антенны в диапазоне рабочих частот имеет величину от 3,5 до 6. Значение Ку при большом выборе количества диполей является достаточно высоким, но при некруговой (с провалами) диаграмме направленности (ДН) в горизонтальной плоскости, что связано с невозможностью симметричной последовательной запитки большого количества диполей. Использование большого количества диполей приводит к значительному увеличению продольных габаритов антенны.

Решаемая изобретением задача - улучшение технико-эксплуатационных характеристик.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является обеспечение диаграммы направленности без дробления главного лепестка, уменьшение КСВ, уменьшение продольных габаритов и упрощение конструкции.

Для решения поставленной задачи с достижением заявленного технического результата в широкополосной антенне, содержащей по меньшей мере два диполя, расположенных на продольной оси, ориентированной вертикально, каждый из диполей выполнен из двух излучающих элементов, цилиндрических и полых, установленных с зазором между ними, которые электрически подсоединены посредством фидерной линии. Согласно изобретению, каждый из излучающих элементов диполя выполнен в виде стакана: нижнего стакана, перевернутого, и верхнего стакана, обращенного своим днищем к днищу нижнего стакана. Каждый из стаканов выполнен ступенчатым, и ступени меньшего диаметра обращены друг к другу. Фидерная линия выполнена из трех отрезков коаксиального кабеля. Первый отрезок коаксиального кабеля выбран с волновым сопротивлением 50 Ом, второй и третий отрезки коаксиального кабеля - с волновым сопротивлением 100 Ом. Первый отрезок коаксиального кабеля пропущен вдоль продольной оси первого диполя внутри стаканов сквозь их днища в зазор между диполями, и его центральная жила соединена со связанными между собой центральными жилами второго и третьего отрезков коаксиального кабеля, а его оплетка с их оплетками. Второй отрезок коаксиального кабеля пропущен вдоль продольной оси первого диполя внутри верхнего стакана сквозь его днище в зазор между верхним и нижним стаканами, и его центральная жила подсоединена к днищу верхнего стакана, а оплетка - к днищу нижнего стакана. Третий отрезок коаксиального кабеля пропущен вдоль продольной оси второго диполя внутри нижнего стакана сквозь его днище в зазор между верхним и нижним стаканами, и его центральная жила подсоединена к днищу верхнего стакана, а оплетка -к днищу нижнего стакана.

Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:

- были введены втулки, выполненные из феррита, установленные снаружи на первом, втором и третьем отрезках коаксиального кабеля;

- одна из втулок была установлена снаружи на первом и втором отрезках коаксиального кабеля, а две другие - на первом и третьем отрезках коаксиального кабеля под нижними стаканами соответственно первого и второго диполя и/или внутри них;

- излучающие элементы диполей были выполнены идентичными.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются с помощью варианта его выполнения со ссылками на фигуру.

На фиг. 1 схематично изображена заявленная конструкция сверхширокополосной антенны диапазона ДМВ 2.

На фиг. 2 приведена диаграмма направленности в вертикальной плоскости в абсолютных значениях Ку (дБи) в рабочем диапазоне частот.

На фиг. 3 приведен график изменения в диапазоне частот КСВ изготовленного образца антенны.

Антенна (фиг. 1) содержит два диполя 1, 2, которые расположены на продольной оси Y-Y, ориентированной вертикально. Каждый из диполей 1, 2 состоит из двух излучающих элементов - соответственно излучающих элементов 3.1, 4.1 и излучающих элементов 3.2, 4.2, выполненных цилиндрическими и полыми, установленных с зазором между ними, и электрически подсоединенных посредством фидерной линии. Излучающие элементы 3.1 и 3.2 соответственно диполя 1 и диполя 2 выполнены в виде перевернутого стакана (далее также «нижнего стакана»). Излучающие элементы 4.1 и 4.2 соответственно диполя 1 и диполя 2 выполнены в виде стакана (далее также «верхнего стакана»), обращенного своим днищем к днищу соответствующего нижнего стакана. Каждый из верхних и нижних стаканов выполнен ступенчатым, причем ступени меньшего диаметра обращены друг к другу.

Фидерная линия выполнена из трех отрезков 5, 6, 7 коаксиального кабеля.

Первый отрезок 5 коаксиального кабеля выбран с волновым сопротивлением 50 Ом, а второй и третий отрезки 6, 7 коаксиального кабеля - с волновым сопротивлением 100 Ом. Первый отрезок 5 коаксиального кабеля пропущен вдоль продольной оси первого диполя 1 внутри его нижнего и верхнего стаканов (излучающих элементов 3.1, 4.1) сквозь их днища в зазор между диполями 1, 2. Центральная жила первого отрезка 5 коаксиального кабеля соединена со связанными между собой центральными жилами второго и третьего отрезков 6, 7 коаксиального кабеля, а его оплетка - с оплетками второго и третьего отрезков 6, 7 коаксиального кабеля.

Второй отрезок 6 коаксиального кабеля пропущен вдоль продольной оси первого диполя 1 внутри верхнего стакана (излучающего элемента 4.1) сквозь его днище в зазор между верхним и нижним стаканами (излучающими элементами 3.1, 4.1). Центральная жила второго отрезка 6 коаксиального кабеля подсоединена к днищу верхнего стакана (излучающего элемента 4.1), а оплетка - к днищу нижнего стакана (излучающего элемента 3.1).

Третий отрезок 7 коаксиального кабеля пропущен вдоль продольной оси второго диполя 2 внутри нижнего стакана (излучающего элемента 3.2) сквозь его днище в зазор между верхним и нижним стаканами (излучающими элементами 3.2, 4.2). Центральная жила третьего отрезка 7 коаксиального кабеля подсоединена к днищу верхнего стакана (излучающего элемента 4.2), а оплетка - к днищу нижнего стакана (излучающего элемента 3.2).

Антенна также содержит втулки 8, 9, 10, выполненные из феррита, установленные снаружи на первом, втором и третьем отрезках 5, 6, 7 коаксиального кабеля.

Для упрощения конструкции возможен вариант, показанный на фиг. 1, в котором одна из втулок 8 установлена снаружи на первом и втором отрезках 5, 6 коаксиального кабеля, а две другие 9, 10 - соответственно на первом и третьем отрезках 5, 7 коаксиального кабеля, под нижними стаканами 3.1, 3.2 первого и второго диполя 1, 2 и/или внутри них.

Излучающие элементы 3.1, 4.1 и 3.2, 4.2 диполей 1, 2 выполнены идентичными для улучшения согласования и упрощения конструкции.

Работает широкополосная антенна следующим образом.

В отличие от аналогов предлагаемая антенна получена объединением широкополосных излучателей 3.1, 4.1 и 3.2, 4.2 особой (ступенчатой) конструкции в вертикальную антенную решетку таким образом, что обеспечивается высокий Ку в широком диапазоне частот, а суммарная диаграмма направленности в горизонтальной плоскости сохраняется круговой за счет выполнения излучателей в виде ступенчатых стаканов.

Антенна состоит из двух одинаковых симметричных диполей 1, 2, объединенных в вертикальную антенную решетку. Каждый из диполей 1, 2, в свою очередь, образован двумя излучателями 3.1, 4.1 и 3.2, 4.2 (полыми, ступенчатыми). Расстояние между диполями 1, 2 выбрано обеспечивающим равномерный Ку в диапазоне рабочих частот. Например, указанное расстояние может быть выбрано в пределах примерно от 15 до 60 мм.

Входное сопротивление каждого диполя 1, 2 выбрано примерно 100 Ом во всем диапазоне рабочих частот. Для этого подбираются геометрические размеры излучателей 3.1, 4.1 и 3.2, 4.2 и отношение диаметров ступеней, которые обеспечивают необходимую полосу рабочих частот от 500 до 2500 МГц (см. фиг. 3), и максимально возможный Ку отдельного диполя 1, 2 антенной решетки. Например, длина излучателей 3.1, 4.1 и 3.2, 4.2 в указанном диапазоне рабочих частот может Составлять от 40 о 60 мм, а отношение диаметров ступеней стаканов -примерно от 1,5 до 2.

Первый отрезок 5 коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом проходит внутри первого диполя 1, состоящего из излучателей 3.1, 4.1. На середине расстояния между диполями 1, 2 первый отрезок 5 коаксиального кабеля подключается к двум одинаковым но длине второму и третьему отрезкам 6, 7 коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 100 Ом, которые, в отличие от ближайшего аналога, включены не последовательно, а параллельно.

Второй отрезок 6 коаксиального кабеля проходит внутри излучателя 4.1 и питает нижний диполь 1 антенной решетки. Третий отрезок 7 коаксиального кабеля проходит внутри излучателя 3.2 и питает верхний диполь 2 антенной решетки. Таким образом, обеспечивается синфазное питание обоих диполей 1, 2 и согласование входа антенны с волновым сопротивлением 50 Ом.

Для исключения протекания синфазных токов по оплеткам отрезков 5, 6, 7 питающих коаксиальных кабелей на них могут быть надеты втулки 8, 9, 10, изготовленные из феррита.

На фиг. 2 приведена расчетная диаграмма направленности (ДН) в вертикальной плоскости в абсолютных значениях Ку (дБ), а на фиг. 3 - график КСВ изготовленного образца антенны.

На фиг. 2 показаны кривые ДН для различных дискретных значений частоты: 0,5 ГГц; 0,75 ГГц; 1,0 ГГц; 1,25 ГГц; 1,5 ГГц; 1,75 ГГц; 2,0 ГГц; 2,25 ГГц; 2,5 ГГц. Как видно, главные лепестки ДН не имеют заметных провалов, а значение Ку увеличивается с ростом частоты.

КСВ (фиг. 3) в диапазоне частот 500-2500 МГц практически во всем диапазоне значительно меньше 3,0 и лишь в области высоких 2250-2500 МГц частот КСВ составляет примерно 3-5-4, что все равно значительно ниже ближайшего аналога в этой области и во всем диапазоне рабочих частот.

Уменьшение продольных габаритов и упрощение конструкции достигается за счет использования меньшего количества диполей.

Что касается сравнения с параметрами, достигаемыми антенной-аналогом согласно патенту РФ RU 2629893, заявленная антенна имеет значительно больший коэффициент усиления в направлении горизонта от плюс 2 до плюс 6 дБи (известная антенна-аналог - от минус 2 до плюс 3), поэтому при одинаковой входной мощности излучаемая мощность заявленной антенны в среднем более чем в два раза выше. Также диаграмма направленности заявленной антенны значительно меньше зависит от формы и размеров площадки, на которой установлена антенна.

В то же время, специалисту будет понятно, что заявленная антенна может иметь различные усовершенствования, дополняющие признаки первого пункта формулы изобретения. Например, для дальнейшего увеличения Ку (если это необходимо) могут быть добавлены еще два диполя, подсоединенные к питающему фидеру, аналогично предложенному, с соответствующим выбором входных сопротивлений излучающих элементов и волновых сопротивлений подсоединенных отрезков коаксиальных кабелей. В полости стаканов излучателей могут размещаться различные модули: малошумящие усилители, усилители мощности, фильтры и т.п.

Наиболее успешно заявленная сверхширокополосная антенна диапазона ДМВ2 промышленно применима для связи между стационарными объектами или подвижными объектами, например передвижными радиостанциями.