Направленная рамочно-лучевая антенна

Изобретение направлено на улучшение технических и эксплуатационных характеристик антенн.

Указанный технический результат достигается тем, что рамочная часть антенны изготовлена из коаксиально расположенных проводников, при этом внешний проводник формирует магнитную составляющую электромагнитной волны излучения, электрическая составляющая формируется лучевой частью антенны, состоящей из двух излучающих лучей и пары компенсирующих лучей, контур образованный внутренним проводником рамки и конденсатором С-1 обеспечивает синфазность либо противофазность, в необходимых случаях, магнитных и электрических полей элементов антенны. Раздельное формирование, электрической и магнитной составляющих электромагнитной волны излучения соответствующими элементами антенны, обеспечивает формирование фронта электромагнитной волны излучения в заданном направлении, непосредственно у элементов антенны, что в свою очередь обеспечивает малый угол возвышения в вертикальной плоскости диаграммы направленности, при высоте подвеса значительно менее ½ длинны волны и малую восприимчивость антенны к наличию проводящих предметов и других антенн в близи антенны.

Формирование излучения в заданном направлении, у предлагаемой антенны, происходит следующим образом. В случае рассмотрения на Фиг. 1 правого излучающего луча и правой половины рамочной части направленной рамочно-лучевой антенны, хорошо видно, что электрическое и магнитное поле, сформированное между компенсирующими лучами и этим лучом, будет так же как и у прототипа этой антенны, синфазно электрическому и магнитному полю правой половины рамки, к которой подключен луч. Если рассматриваемую часть предлагаемой антенны представить в виде двух антенн А1 (правая часть рамки) и А2 (правый луч), каждая со своим источником питания (источники когерентны) и которые совмещены в пространстве, решающие значения приобретают соотношение фаз колебаний источников этих антенн. Суммарная плотность потока энергии (вектор Пойнтинга П) в каждой точке пространства может быть найден по принципу суперпозиции полей: П=(Е1+Е2)×(Н1+Н2)=E1×H1+Е2×Н2+Е1×Н2+Е2×H1

Последние два слагаемых в правой части уравнения описывают взаимодействие электрического поля одной антенны с магнитным полем другой антенны. Эти поля и используются в рассматриваемой части направленной рамочно-лучевой антенны, для эффективного формирования вектора Пойнтинга. Таким образом, магнитное поле правой части рамки складывается с электрическим полем правого луча и в свою очередь магнитное поле правого луча складывается с электрическим полем правой части рамки, формируя фронт электромагнитной волны излучения в необходимом направлении, непосредственно у элементов антенны. Однако для этого Е1 должно быть синфазно с Н2 и Е2 должно быть синфазно с H1 следовательно антенны должны возбуждаться в квадратуре. В предлагаемой рамочно-лучевой антенне необходимый фазовый сдвиг обеспечивает контур образованный внутренним проводником рамки и конденсатором С-1.

В геометрической середине рамочной части, направленной рамочно-лучевой антенны, происходит смена фаз напряжений, и напряжение в левой половине рамки находится в противофазе с напряжением в правой половине рамки. Излучающий луч, находящийся на Фиг. 1 с левой стороны рамки подключен к правой половине рамки и с помощью пары компенсирующих лучей подключенных к левой половине рамки формирует соответствующие магнитное и электрическое поля левого луча. Но эти поля находятся в противофазе с магнитным и электрическим полями, сформированными левой половиной рамки. Применяя, тот же принцип суперпозиции полей, как и в случае выше, можно увидеть, что происходит взаимная компенсация электрических и магнитных составляющих левого луча и левой части рамки. Таким образом, прием с этого направления и передача в этом направлении невозможны либо значительно ослаблены.

Короткие, компенсирующие лучи, расположенные перпендикулярно длинным излучающим лучам и самой рамке, служат для обеспечения симметрии антенны и создания электрического и магнитного полей лучевой части антенны. При рассмотрении работы предлагаемой направленной рамочно-лучевой антенны, в направлении перпендикулярном плоскости рамки и излучающих лучей, и учитывая, приведенные выше рассуждения, о смене фаз напряжений в левой и правой половинах рамки, видно, что компенсирующие лучи находятся в такой точке антенны, где из-за взаимной компенсации, противоположными ветвями рамки, наводимой ЭДС, в диаграмме направленности имеется сектор нулевого приема. При этом сами лучи расположены так, что обладают также, нулевым приемом в этом направлении, поэтому в формировании диаграммы направленности они не участвуют, передача и прием в этих направлениях невозможны либо значительно ослаблены.

На Фиг.1 представлена электрическая схема полезной модели, состоящая из рамочной части, в свою очередь состоящей из коаксиально расположенных проводников и конденсаторов настройки С1 и С2 и лучевой части состоящей из двух, длинных имеющего длину порядка 1/8 длинны волны, излучающих лучей, выполненных жесткими, самонесущими, из легких материалов и расположенных в плоскости рамки, при этом оба излучающих луча присоединены к одному из выводов конденсатора С-2, в свою очередь соединенного с одной из сторон излучающей рамки. И двух других, вчетверо более коротких, чем излучающие лучи, компенсирующих лучей, также выполненных жесткими самонесущими, из легких материалов и расположенных, в месте соединения излучающих лучей с рамкой. Но расположены они поперек излучающих лучей и соответственно поперек рамки и присоединены к противоположному, по отношению к излучающим лучам, выводу конденсатора С-2 и соответственно противоположному выводу излучающей рамки.

Работу направленной рамочно-лучевой антенны можно описать следующим образом:

1. Рамка, находясь в зоне максимального тока, формирует магнитную составляющую электромагнитной волны излучения.

2. Лучи, находясь в зоне максимального напряжения, формируют электрическую составляющую электромагнитной волны излучения.

3. Контур образованный внутренним проводником рамки и конденсатором С-1 в излучении не участвует, сдвигает фазу тока в рамке и обеспечивает синфазность либо противофазность, в необходимых случаях, магнитных и электрических полей элементов антенны.

4. Излучающий луч, находящийся с той же стороны предлагаемой антенны, что и подключенная к нему половина рамочной части, формирует главный лепесток излучения.

5. Излучающий луч, находящийся с противоположной стороны подключенной к нему половины рамочной части, обеспечивает подавление излучения в этом направлении.

6. компенсирующие лучи расположены перпендикулярно длинным лучам и самой рамке, служат для обеспечения симметрии антенны и создания электрического поля, в формировании диаграммы направленности не участвуют.

7. формирование фронта, электромагнитной волны излучения происходит непосредственно у элементов антенны, что в свою очередь обеспечивает малый угол возвышения в вертикальной плоскости диаграммы направленности.

8. при длине лучей равной 1/8 длинны волны и высоте подвеса значительно менее ½ длинны волны, обеспечивается угол возвышения в вертикальной плоскости диаграммы направленности не превышающий угол возвышения антенны «полуволновой вибратор» установленной на высоте равной ½ длинны волны.

9. Изменение длинны и угла наклона лучей антенны, позволяет изменять угол возвышения в вертикальной плоскости диаграммы направленности.

Техническое решение относится к области радиотехники, в частности к антенной технике и может быть использовано в технике связи.

Известна антенна «Замкнутая ромбическая антенна» К.Ротхамель «Антенны», издание одиннадцатое, издательство «Данвел» г.Москва 2005 г. Том 1 стр.221-226, которая содержит два горизонтально расположенных протяженных электрических проводника (например, проволока, стержень, труба) длиной не менее одной длины волны, выполненных в виде ромба, установленных на четырех мачтах (опорах) и оборудованных поглощающим резистором.

Недостатком аналога является необходимость обеспечить высоту подвеса антенны, не мене ½ длинны волны, для обеспечения малого угла возвышения в вертикальной плоскости диаграммы направленности, необходимость четырех опор для монтажа антенны, потери мощности в поглощающем резисторе, невозможность обеспечить вращение антенны ввиду ее громоздкости.

Также известна антенна «Квадратный куб» К.Ротхамель «Антенны», издание одиннадцатое, издательство «Данвел» г.Москва 2005 г. Том 1 стр.258-262, которая содержит активную петлю в виде квадратного элемента и отстоящего от него на расстоянии 0,1-0,2 длины волны, второго такого же проволочного квадрата, который с помощью дополнительного настроечного шлейфа превращается в рефлектор.

К недостаткам второго аналога относятся сложность несущей конструкции антенны, необходимость обеспечить высоту подвеса антенны, не мене ½ длинны волны для обеспечения малого угла возвышения в вертикальной плоскости диаграммы направленности, значительная ветровая нагрузка на антенну, ввиду большой парусности конструкции, искажение диаграммы направленности при наличии проводящих предметов и других антенн вблизи антенны.

В качестве прототипа выбрана «Рамочно-лучевая антенна», патент на полезную модель : 92574 от 13 Ноября 2009 г., которая содержит вертикально расположенную рамку из материала с малыми омическими потерями с коаксиально расположенным в ней проводником, рамка и внутренний проводник подключены к конденсаторам настройки С-1 и С-2 и образуют два сильно связанных между собой контура. Наружный контур соединен с горизонтально расположенными лучами, образуя, вместе сними антенную систему

К недостаткам прототипа относятся, отсутствие возможности антенны работать только в одно, выбранном направлении, не способность подавлять сигналы во всех других направлениях.

Задачей технического решения является разработка антенны обладающей возможностью работать только в одном, выбранном направлении, со способностью подавления сигналов во всех других направлениях, обладающей незначительной парусностью, требующей для установки одну опору, с возможностью поворота антенны в необходимом направлении, обладающей малым углом возвышения в вертикальной плоскости диаграммы направленности, при высоте подвеса значительно менее ½ длинны волны, невосприимчивой к наличию проводящих предметов и других антенн в непосредственной близости от нее.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в направленной рамочно-лучевой антенне содержащей вертикально расположенную рамку из материала с малыми омическими потерями с коаксиально расположенным в ней проводником, внутренний проводник и рамка подключены к конденсаторам настройки С-1 и С-2 соответственно и образуют два сильно связанных между собой контура при этом, контур образованный внутренним коаксиальным проводником и настроечным конденсатором С-1 не участвует в излучении и служит для обеспечения синфазности либо противофазности, в необходимых случаях, магнитных и электрических полей элементов антенны. В направленной рамочно-лучевой антенне, наружный контур соединен с горизонтально расположенными излучающими и компенсирующими лучами, выполненными жесткими самонесущими, из легких материалов, образуя, вместе сними антенную систему. В предлагаемой антенне предусмотрены следующие отличия: два, более длинных, излучающих луча, выполненые жесткими самонесущими, из легких материалов и расположены в плоскости рамки. Оба излучающих луча присоединены к одному из выводов конденсатора С-2, в свою очередь соединенного с одной из двух сторон излучающей рамки. Два других, вчетверо более коротких, чем излучающие лучи, компенсирующих луча, также выполненны жесткими самонесущими, из легких материалов и расположены они в месте соединения длинных лучей с рамкой. Но расположены они поперек излучающих лучей и соответственно поперек рамки и присоединены к противоположному выводу конденсатора С-2 и соответственно противоположному выводу излучающей рамки.

Напряжение и ток в излучающем луче, находящемся со стороны той части рамки, к которой он подключен, так же как и в прототипе, находится в фазе по отношению к напряжению и току протекающем в этой части рамки. При этом, так же как в прототипе, вертикально расположенная рамка излучает вертикально поляризованную магнитную составляющую, а горизонтально расположенный луч горизонтально поляризованную электрическую составляющую, что обеспечивает формирование фронта излучаемой электромагнитной волны, в направлении этого луча.

В противоположном же, излучающем луче, подключенном к рамке в той же точке, что и первый луч, но находящимся со стороны противоположной части рамки, напряжение и ток луча находится по отношению к напряжению и току в этой части рамки в противофазе, в результате этого происходит взаимная компенсация полей наведенных этими напряжениями и токами. Ввиду взаимной компенсации полей, прием и передача, в направлении этого луча, невозможна.

Вчетверо более короткие, компенсирующие лучи расположение перпендикулярно длинным лучам и самой рамке, служат для обеспечения симметрии антенны и создания электрического поля. Они находятся в такой точке антенны, где из-за взаимной компенсации противоположными ветвями рамки, в поперечном направлении, имеется сектор нулевого приема, и сами лучи расположены так, что обладают также, нулевым приемом в этом направлении, поэтому в формировании диаграммы направленности они не участвуют.

Таким образом, антенна выполнена в виде жесткой рамки с жесткими самонесущими лучами из легких материалов и установлена на одной опоре, имеет возможность вращаться и обладает незначительной парусностью. Антенна способна работать в одном, выбранном направлении, с возможностью подавления сигналов во всех других направлениях.

Кроме того, предложенная направленная рамочно-лучевая антенна отличается тем, что вертикально расположенная рамка излучает вертикально поляризованную магнитную составляющую, а горизонтально расположенные излучающие лучи горизонтально поляризованную электрическую составляющую, что обеспечивает формирование фронта излучаемой электромагнитной волны. Формирование фронта излучаемой электромагнитной волны происходит непосредственно у элементов антенны, характеристики антенны практически не зависят от высоты подвеса антенны. Угол излучения в вертикальной плоскости (угол возвышения) имеет небольшую величину и регулируется наклоном лучей по отношению к горизонту, антенна не подвержена влиянию окружающих предметов, проводников и других антенн, находящихся в непосредственной близости от нее.

Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно, наличие излучающих лучей, выполненных жесткими, самонесущими из легких материалов и расположенных с одной стороны антенны, в точке с синфазными полями рамки, а с другой стороны антенны в точке с противофазными полями рамки. Наличие компенсирующих лучей так же выполненных жесткими, самонесущими из легких материалов и не участвующих в формировании диаграммы направленности, позволяет осуществить работу антенны в выбранном направлении, с возможностью подавления сигналов во всех других направлениях. Формирование электрической и магнитной составляющей фронта излучаемой электромагнитной волны отдельными элементами антенны обеспечивает независимость угла возвышения в вертикальной плоскости от высоты установки антенны и исключает искажение диаграммы направленности при наличии проводящих предметов и других антенн в близи антенны.

Техническое решение позволяет осуществлять поворот антенны в нужном направлении, для обеспечения малого угла возвышения в вертикальной плоскости диаграммы направленности использовать высоту установки, антенны значительно менее ½ длинны волны. Кроме того, максимальный угол излучения в вертикальной плоскости диаграммы направленности регулируется наклоном лучей к основанию антенны. Антенна имеет простую несущую конструкцию и обладает незначительной парусностью.

Техническая сущность предложенного технического решения поясняются чертежом, на котором:

Фиг.1 Принципиальная электрическая схема направленной рамочно-лучевой антенны

Фиг.2 Технологическая схема направленной рамочно-лучевой антенны

Предложенная, направленная рамочно-лучевая антенна, состоит из рамочной части антенны, изготовленной из коаксиально расположенных проводников и оборудованной конденсаторами настройки, лучевой части выполненной из прямолинейных проводников, мачты и распорки, изоляторов, индуктивной петли связи с питающим кабелем.

Перечисленные выше конструктивные элементы выполнены следующим образом, рамочная часть антенны выполнена из коаксиально расположенных проводников и оборудована конденсаторами настройки для внутреннего проводника и внешнего проводника, лучевая часть выполнена в виде жестких самонесущих проводников из легких материалов. Питание антенны осуществляется петлей связи подобной петле связи использованной в прототипе. Рамочная часть и излучающие лучи расположены в одной плоскости. Компенсирующие лучи, в четыре раза более короткие, чем излучающие лучи, расположены перпендикулярно по отношению к излучающим лучам и рамке.

Описанное выше техническое решение направленной рамочно-лучевой антенны осуществляется следующим образом:

Рамочная часть антенны, выполненная из коаксиально расположенных проводников, в форме окружности из материала обладающим малыми омическими потерями и оборудованная конденсаторами настройки с помощью распорки монтируется на диэлектрическую мачту. Лучи изготовлены из легких материалов в виде жестких, самонесущих проводников. Настройка антенны производится по минимуму коэффициента стоячей волны или по максимуму показаний индикатора напряженности поля. Изменением угла наклона лучей по отношению к мачте регулируется угол излучения в вертикальной плоскости, чем больше угол наклона лучей, тем меньше угол излучения. Питание антенны осуществляется петлей связи подобной описанной К. Hagenbuchner. Magnetische Anfennen - ein Erfahrung-bericht. - QSP, 1988, N 7, S.28-3.

Технико-экономическое обоснование:

1. способностью работать только в одном, выбранном направлении, с возможностью подавления сигналов во всех других направлениях

2. возможность монтажа антенны с помощью одной опоры.

3. возможность поворота антенны в необходимом направлении.

4. отсутствие значительной парусности

5. отсутствие искажения диаграммы направленности при наличии проводящих предметов и других антенн в близи антенны

6. обеспечение малого угла возвышения в вертикальной плоскости диаграммы направленности при высоте подвеса значительно менее ½ длинны волны.

1. Направленная рамочно-лучевая антенна, содержащая вертикально расположенную рамку из материала с малыми омическими потерями, с коаксиально расположенным в ней проводником, внутренний проводник и рамка подключены к конденсаторам настройки С-1 и С-2 соответственно и образуют два сильно связанных между собой контура, и отличающаяся тем, что контур, образованный наружным проводником и конденсатором настройки С-2, соединен с излучающими и компенсирующими лучами, образуя вместе с ними направленную рамочно-лучевую антенну.

2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что контур, образованный внутренним коаксиальным проводником и конденсатором настройки С-1, не участвует в излучении и служит для обеспечения в необходимых случаях синфазности либо противофазности магнитных и электрических полей, соответствующих частей антенны.

3. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что излучающий луч, находящийся с той же стороны предлагаемой антенны, что и подключенная к нему половина рамочной части, формирует главный лепесток излучения.

4. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что излучающий луч, находящийся с противоположной стороны, подключенной к нему половины рамочной части, обеспечивает подавление излучения в этом направлении.

5. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что компенсирующие лучи расположены перпендикулярно излучающим лучам и самой рамке, служат для обеспечения симметрии антенны, создания электрического и магнитного полей лучевой части предлагаемой антенны.