Сверхширокополосный излучающий элемент с коаксиальным входом и антенная решетка, содержащая такой излучающий элемент
Предлагаемая полезная модель относится к области радиотехники, в частности к антенной технике, и может использоваться в системах радиолокации, связи и других антенных системах, размещенных на подвижных носителях.
Технический результат - увеличение мощности антенной решетки с ростом числа ее излучающих элементов, возможность управления ДН, расширение полосы пропускания (до 3,3 октав), формирование при вертикальной поляризации изотропной диаграммы направленности в азимутальной плоскости и 
-образную - в угломестной плоскости.
Для этого антенная решетка, содержащая n(n
2) одинаковых излучающих элементов (12) с коаксиальным входом (6), закрепленных на трубе (11), выполненной из электропроводящего материала таким образом, что фазовые центры излучающих элементов (12) расположены по окружностям, через центр которых проходит труба (11). При этом каждый излучающий элемент (12) содержит прямоугольную пластину (9), на которой расположен планарный симметричный вибратор (4), а также генератор (1), с коаксиальным выходом (5), симметрирующее устройство (7), на продольной оси вибратора (4) установлены элементы настройки (8) в плоскостях, перпендикулярных плоскости прямоугольной пластины (9). В местах размещения элементов настройки (8) в прямоугольной пластине (9) проделаны два отверстия для их механического закрепления и установки гальванической связи с плечами симметричного вибратора (4).
Предлагаемая полезная модель относится к области радиотехники, в частности к антенной технике, и может использоваться в системах радиолокации, связи и других антенных системах, размещенных на подвижных носителях.
Известны антенны (Ротхаммель К., Кришке А. «Антенны», т.1, пер. с немецкого. М. - «Лайт ЛТД», 2000 г. - 460с. ил.), обладающие круговой диаграммой направленности (ДН) в азимутальной плоскости, и с максимальным усилением в горизонтальном направлении. Как правило, такими ДН обладают симметричные вертикальные вибраторы.
Их недостатком является узкая полоса частот, в которой параметры антенны сохраняют свои значения (коэффициент стоячей волны (КСВ), формы ДН).
Для излучения и приема широкополосных сигналов с минимальными искажениями антенна должна иметь полосу пропускания, сравнимую с полосой частот, занимаемой спектром сигнала. При наличии одной антенны в широкополосных системах необходимо обеспечить сохранение требуемой формы ДН при изменении входного импеданса в допустимых пределах.
Известна сверхширокополосная антенна с малым входным коэффициентом стоячей волны (заявка FR 
2659441, H01Q 09/44), содержащая три штыревых антенны с электрической длиной 
/4, питаемых от общего фидера, причем они отклонены под углом относительно вертикали с симметричным разносом в горизонтальной плоскости. Данная антенна обладает недостаточно широкой полосой согласования.
Известна также сверхширокополосная приемопередающая антенна, (патент РФ 2335834, H01Q 5/01), содержащая несимметричный вибратор и коаксиальный вход и формирующая воронкообразную диаграмму направленности в вертикальной плоскости и круговую диаграмму направленности - в азимутальной плоскости. Максимум излучения антенны осуществляется под углом к горизонту, что является ее недостатком.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является широкополосная симметричная планарная антенна (И.Schantz, «Apparatus for establishing signal coupling between a signal line and an antenna structure», US Patent 6512488), принятая за прототип.
Схема устройства прототипа приведена на фиг.1 а, где обозначено:
1 - генератор высокочастотных (ВЧ) колебаний;
2 - двухпроводная линия;
3 - вход симметричного вибратора;
4 - планарный симметричный вибратор;
5 - симметричный выход генератора;
9 - прямоугольная пластина.
Антенна-прототип содержит прямоугольную пластину 9, на которой расположен симметричный вибратор 4, входы 3 которого двухпроводными линиями 2 соединены с симметричными выходами 5 генератора ВЧ колебаний 1. Излучатель электромагнитной энергии выполнен в виде симметричного планарного вибратора 4 с круглой формой плеча. Радиус кругов определяет нижнюю границу частотного диапазона и равен 0,1 H
Устройство-прототип работает следующим образом.
При подаче от генератора 1 по двухпроводной линии 2 ВЧ колебания на вход 3 антенны происходит возбуждение симметричного вибратора 4, в результате чего, в дальней зоне происходит формирование электромагнитного поля с требуемой ДН (фиг.1б).
В сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне форма ДН и входное сопротивление излучателя сохраняют свои значения в допустимых пределах в широкой (до трех октав) полосе рабочих частот.
Использование генераторов с симметричным выходом не отвечает требованиям удобства монтажа, что является существенным недостаткам излучателя-прототипа. Поэтому необходимо использовать генератор с коаксиальным выходом, а для его согласования с излучателем подключается симметрирующее устройство, однако, это приводит к сужению полосы рабочих частот и искажению формы ДН.
Задача - создание сверхширокополосного излучающего элемент с коаксиальным входом (СИК), обладающего расширенной до 3,3 октав полосой пропускания.
Для решения поставленной задачи в широкополосной симметричной планарной антенне, содержащей прямоугольную пластину, на которой расположен симметричный вибратор, а также генератор, согласно полезной модели, генератор имеет коаксиальный выход, между генератором и симметричным вибратором включено симметрирующее устройство, на продольной оси вибратора установлены элементы настройки в плоскостях, перпендикулярных плоскости прямоугольной пластины и симметрично относительно входа вибратора, причем каждый элемент настройки представляет собой по форме половину эллипса размером А=0,075 H и В=0,06 H, расстояние между элементами согласования равно 
L=0,04 5H, в местах размещения элементов настройки в прямоугольной пластине проделаны два отверстия для их механического закрепления и установки гальванической связи с плечами симметричного вибратора.
Схема предлагаемого устройства представлена на фиг.2а и фиг 2б, где обозначено:
1 - генератор ВЧ колебаний с коаксиальным выходом;
2 - двухпроводная линия;
3 - вход симметричного вибратора;
4 - планарный симметричный вибратор;
5 - коаксиальный выход генератора;
6 - коаксиальный вход симметрирующего устройства;
7 - симметрирующее устройство;
8 - элементы настройки;
9 - прямоугольная пластина;
10 - стойка.
Предлагаемый СИК (фиг.2а) содержит прямоугольную пластину 9, на которой расположен планарный симметричный вибратор 4. На продольной оси вибратора 4 установлены элементы настройки 8 в плоскостях, перпендикулярных плоскости прямоугольной пластины 9 и симметрично относительно входа 3 вибратора 4. Вход 3 симметричного вибратора 4 по двухпроводным линиям 2 соединен с симметрирующим устройством 7, которое включено между симметричным вибратором 4 и генератором 1, и его коаксиальный вход 6 соединен с коаксиальным выходом 5 генератора 1. Элементы настройки 8 выполнены в виде двух полуэллипсов, каждый из которых гальванически связан со своим плечом, причем ширину полосы согласования обеспечивает оптимальный выбор размеров полуэллипсов (А - половина длины, В - ширина) и расстояния между ними L (фиг.2б).
Примером конкретного исполнения (фиг.2в - внешний вид предлагаемого излучателя) может служить СИК с симметричным вибратором 4, выполненный печатным способом на прямоугольной пластине 9 из алюминия толщиной 2 мм и размером 0,2Hx0,3H. Радиусы кругов-плеч R одинаковы и равны 0,08 H. Элементы настройки 8, выполненные из медного листа, толщиной 0,5 мм расположены на продольной оси симметричного вибратора 4 в плоскостях, перпендикулярных плоскости прямоугольной пластины 9 и симметрично относительно входа 3 вибратора 4. Элементы настройки 8 гальванически связаны с плечами вибратора 4, причем каждый элемент представляет собой по форме половину эллипса размером А=0,075 H и В=0,06 H. Расстояние между элементами согласования (плечами) вибратора 4 равно L=0,04 5H. В местах размещения элементов настройки 8 в прямоугольной пластине 9 проделаны два отверстия для их механического закрепления и установки гальванической связи с плечами симметричного вибратора 4. Для механического крепления СИК к носителю используют четыре стойки 10 из диэлектрического материал, применяемого для изоляции.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. ВЧ колебание с коаксиального выхода 5 генератора 1 подается на вход симметрирующего устройства 7, далее ВЧ сигнал поступает на симметричный вибратор 4 с подключенными к нему элементами настройки 8. Элементы настройки 8 в виде объемного разомкнутого шлейфа, благодаря своей форме и размеру, трансформируют в рабочем диапазоне частот входной импеданс из области высоких сопротивлений в область более низких сопротивлений, тем самым выравнивая КСВ в расширенном рабочем диапазоне частот. При этом осуществляется формирование в дальней зоне стабильных ДН. За счет оптимального выбора параметров элементов настройки 8 происходит увеличение относительной полосы рабочих частот fB/fH до 3,3 (fB, fH - соответственно верхняя и нижняя рабочая частота). На фиг.3а и 3б представлена расчетная зависимость КСВ и коэффициента усиления (КУ) от частоты СИК, полученная в результате моделирования антенны (средствами систем автоматизированного проектирования) при приведенных выше параметрах. Как следует из фиг.3 значения КСВ в пределах диапазона рабочих частот не превышает 2,7, а КУ лежит в пределах от 0 до 5 дБ.
На фиг.4а приведена расчетная диаграмма направленности СИК в азимутальной плоскости в диапазоне частот 750-2500 МГц, а на фиг.4б приведена расчетная диаграмма направленности СИК в угломестной плоскости в том же диапазоне частот. Из приведенных данных следует: форма ДН сохраняется в заданных пределах ±3 дБ. СИК формирует при вертикальной поляризации изотропную диаграмму направленности в азимутальной плоскости и -образную - в угломестной плоскости, что подтверждают диаграммы направленности в азимутальной и угломестной плоскостях, приведенные на фиг.4а и 4б.
Таким образом, предлагаемый СИК обеспечивает расширенную полосу пропускания (до 3,3 октав) и формирует при вертикальной поляризации изотропную диаграмму направленности в азимутальной плоскости и -образную - в угломестной плоскости.
Известен планарный излучающий элемент с дуальной поляризацией и антенная решетка, содержащая такой излучающий элемент (патент РФ 2009134902 H01Q 01/40). Его недостатком является неширокая полоса рабочих частот.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому является «карусельная» антенна кругового излучения вертикальной поляризации (патент РФ 2356137 H01Q 9/00), принятая за прототип.
Антенна-прототип содержит четыре пары ромбообразных секций. По периметру пар ромбообразных секций расположены проводники. Длина проводников составляет ср/4, где ср - средняя длина волны. Проводники в каждой паре ромбообразных секций соединены между собой с образованием зазора. Зазор предназначен для подключения двухпроводного фидера. Пары ромбообразных секций соединены между собой с перекрещиванием их проводников и с образованием в местах перекрещивания точек нулевого потенциала. Пары ромбообразных секций образуют единое замкнутое по окружности полотно, имеющее радиус R и по внешнему виду напоминающее карусель. Зазоры, расположенные в полотне напротив друг друга, соединены между собой двухпроводными фидерами, каждый из которых имеет сопротивление 300 Ом, в точках перекрещивания этих двухпроводных фидеров последние соединены друг с другом с образованием точек питания антенны сопротивлением 75 Ом, то есть происходит уменьшение результирующего сопротивления антенны приблизительно в 4 раза, что хорошо согласуется с фидером в 75 Ом. Внутри полотна вертикально расположен рефлектор, который представляет собой цилиндр с радиусом окружности r, боковая поверхность которого составлена из вертикально и параллельно расположенных проводников. Проводники расположены друг от друга на расстоянии, меньшем 0,1 мин/2, где мин - минимальная длина волны. Высота Н цилиндра 8 больше макс/2, где макс - максимальная длина волны. Радиус r цилиндра меньше радиуса R полотна 6 на (0,15-0,27) ср, где ср - средняя длина волны.
Устройство-прототип работает следующим образом.
Под воздействием электродвижущей силы (ЭДС), приложенной к зазорам, в проводниках возникают токи. Благодаря длине проводников, равной ср/4, и наличию точек нулевого потенциала все проводники сфазированы с ориентацией вектора электрического поля Е параллельно оси Y. Антенна при этом функционирует как своеобразная фазированная антенная решетка, но имеющая четырехстороннюю направленность. Выполнение рефлектора в форме цилиндра, боковая поверхность которого составлена из проводников, расположенных вертикально и параллельно друг другу и на расстоянии друг от друга, меньшем 0,1 мин/2, не только устраняет излучение от полотна за его пределы в сторону рефлектора, но и обеспечивает равномерное излучение вертикально поляризованных волн во всех направлениях в горизонтальной плоскости. Кроме того, выполнение полотна из ромбообразных секций в виде единого замкнутого по окружности и расположение рефлектора внутри полотна также обеспечивают равномерное излучение вертикально поляризованных волн во всех направлениях в горизонтальной плоскости, т.е. круговую диаграмму направленности.
Недостатком устройства-прототипа является небольшая полоса рабочих частот и требование симметричности питания от ВЧ генератора.
Задача - увеличение мощности антенной решетки с ростом числа ее излучающих элементов, возможность управления ДН, расширение полосы пропускания (до 3,3 октав), формирование при вертикальной поляризации изотропной диаграммы направленности в азимутальной плоскости и -образную - в угломестной плоскости.
Для решения поставленной задачи в антенной решетке, содержащей n (n2) одинаковых излучающих элементов, закрепленных на трубе, выполненной из электропроводящего материала, обладающей экранирующими свойствам и выполняющей функцию отражателя, согласно полезной модели, фазовые центры излучающих элементов с коаксиальным входом расположены по окружностям, через центр которых проходит труба.
Схема предлагаемого устройства приведена на фиг.5а, где обозначено:
11 - металлическая труба;
12 - сверхширокополосный излучатель с коаксиальным входом.
Предлагаемая антенная решетка состоит из n (n2) одинаковых СИК 12, закрепленных на трубе 11 и размещенных в несколько этажей. Фазовые центры СИК 12 расположены по окружности, через центр которых проходит металлическая труба 11, к которой крепятся СИК 12.
Примером конкретного исполнения (фиг.5а) может служить макет антенной решетки, состоящий из шести отдельных СИК 12. Они размещены в 2 этажа по три СИК 12 на каждом этаже. Фазовые центры СИК расположены на окружностях через 120°, причем фазовые центры верхнего этажа сдвинуты относительно фазовых центров нижнего этажа на 60°. Через центр окружностей проходит металлическая труба 11, к которой крепятся СИК 12. Один излучающий элемент 12 с учетом экранирующих свойств трубы 11 в азимутальной плоскости формирует секторную ДН с шириной угла ~ 60°. Совместная синфазная работа шести СИК 12 обеспечивает высокую эффективность антенной решетки в азимутальной плоскости. На фиг.5б приведена ДН антенной решетки в азимутальной плоскости в диапазоне 0,8-2,5 ГГц.
Предлагаемая антенная решетка работает аналогично сверхширокополосному излучающему элементу с коаксиальным входом. Однако в зависимости от изменения числа излучающих элементов 12 появляется возможность управления ДН. С ростом числа излучающих элементов 12 увеличивается мощность антенной решетки.
Таким образом, предлагаемая антенная решетка обеспечивает увеличение мощности с ростом числа ее излучающих элементов, возможность управления ДН, расширение полосы пропускания (до 3,3 октав), формирование при вертикальной поляризации изотропной диаграммы направленности в азимутальной плоскости и -образную - в угломестной плоскости.
1. Сверхширокополосный излучающий элемент с коаксиальным входом, содержащий прямоугольную пластину, на которой расположен планарный симметричный вибратор, а также генератор, отличающийся тем, что генератор имеет коаксиальный выход, между генератором и симметричным вибратором включено симметрирующее устройство, на продольной оси вибратора установлены элементы настройки в плоскостях, перпендикулярных плоскости прямоугольной пластины и симметрично относительно входа вибратора, причем каждый элемент настройки представляет собой по форме половину эллипса размером А=0,075H и В=0,06H, расстояние между элементами согласования равно L=0,045H, в местах размещения элементов настройки в прямоугольной пластине проделаны два отверстия для их механического закрепления и установки гальванической связи с плечами симметричного вибратора.
2. Антенная решетка, содержащая n(n2) одинаковых излучающих элементов, закрепленных на трубе, выполненной из электропроводящего материала, обладающей экранирующими свойствами и выполняющей функцию отражателя, отличающая тем, что фазовые центры излучающих элементов с коаксиальным входом расположены по окружностям, через центр которых проходит труба.
3. Антенная решетка по п.2, отличающаяся тем, что излучающие элементы размещены на нескольких этажах.
