Переключаемая 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 двух компенсирующих лучей, переключаемых с помощью контактов дистанционно управляемых реле. 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 режиме направленного либо кругового излучения, непосредственно у элементов антенны, что в свою очередь обеспечивает малый угол возвышения в вертикальной плоскости диаграммы направленности, при высоте подвеса значительно менее 
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 переключаемой 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, то 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)=Е1×Н1+Е2×Н2+Е1×Н2+Е2×Н1
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 переключаемой 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 направленной рамочно-лучевой антенне необходимый фазовый сдвиг обеспечивает контур образованный внутренним проводником рамки и конденсатором С-1.
В геометрической середине рамочной части, переключаемой 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, с помощью переключающего контакта К-2, дистанционно управляемого реле, подключен к правой половине рамки и с помощью пары компенсирующих лучей, так же с помощью контакта, К-4, дистанционно управляемых реле, 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 в случае работы антенны в режиме направленного излучения, 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. При изменении диаграммы направленности на 180 градусов, происходит переключение излучающих и компенсирующих лучей, с помощью контактов, дистанционно управляемых реле, в противоположное положение.
В случае переключения предлагаемой антенны, с помощью контактов дистанционно управляемых реле, в режим работы с круговой диаграммой направленности, излучающие лучи, помощью нормально замкнутых контактов К-1 и К-2, подключается к той части рамки, со стороны которой они расположены, при этом компенсирующие лучи с помощью нормально разомкнутых контактов реле К-3 и К-4, отключаются от рамки и остаются никуда не подключенными. В этом случае, формирование излучения происходит на тех же принципах, что и у прототипа, с присущими ему характеристиками.
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 могут быть присоединены, с помощью переключающих контактов, дистанционно управляемых реле, к обоим, либо к одному из выводов конденсатора С-2, в свою очередь соединенного с излучающей рамкой. 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 расположенных поперек излучающих лучей и соответственно поперек рамки и так же с помощью замыкающих контактов, дистанционно управляемых реле, имеющих возможность быть подключенными к противоположному, по отношению к излучающим лучам, выводу конденсатора С-2 и соответственно противоположному выводу излучающей рамки, либо быть, не подключенными вовсе.
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. В случае направленного излучения, излучающий луч, находящийся с той же стороны предлагаемой антенны, что и подключенная к нему с помощью контактов дистанционно управляемых реле, половина рамочной части, формирует главный лепесток излучения.
5. В случае направленного излучения, излучающий луч, находящийся с противоположной стороны подключенной к нему с помощью контактов дистанционно управляемых реле половины рамочной части, обеспечивает подавление излучения в этом направлении.
6. В случае направленного излучения, компенсирующие лучи присоединены с помощью контактов дистанционно управляемых реле к той части рамки, со стороны которой происходит подавление излучения, расположены перпендикулярно длинным лучам и самой рамке, служат для обеспечения симметрии антенны и создания электрического поля, в формировании диаграммы направленности не участвуют.
7. Излучающие лучи, каждый из двух, в случае подключения с помощью контактов дистанционно управляемых реле, к соответствующей, находящийся с той же стороны, что и луч, половине рамочной части, формируют круговую диаграмму направленности.
8. Формирование фронта электромагнитной волны излучения происходит непосредственно у элементов антенны, что в свою очередь обеспечивает малый угол возвышения в вертикальной плоскости диаграммы направленности.
9. 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.
10. Изменение длинны и угла наклона лучей антенны, позволяют 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 «четвертьволновой вертикальный излучатель» К.Ротхамель «Антенны» издательство «Бояныч» г.Санкт-Петербург 1998 г. стр.311-322, которая содержит вертикально расположенный электрический проводник (например, проволока, стержень, труба) равный примерно четверти длины волны, оборудованный разветвленной системой заземления или противовесов.
К недостаткам аналога относятся невозможность приема и передачи только в одном, выбранном направлении, со способностью подавления сигналов во всех других направлениях, искажение диаграммы направленности при наличии проводящих предметов и других антенн в близи антенны, необходимость оборудования разветвленной системой заземления или противовесов.
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 отсутствие возможности быстро, без поворота самой антенны, изменить направление диаграммы направленности на противоположное направление, отсутствие возможности работы с круговой диаграммой направленности, 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 как с круговой диаграммой направленности, так и только в одном, выбранном направлении с подавлением сигналов во всех других направлениях, не требующей оборудования разветвленной системой заземления или противовесов, обладающей возможностью быстрой, без поворота самой антенны, способностью изменения диаграммы направленности, на противоположное направление, 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 
длинны волны, невосприимчивой к наличию проводящих предметов и других антенн в непосредственной близости от нее.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в переключаемой 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 переключаемой направленной рамочно-лучевой антенне, наружный контур соединен с помощью контактов, дистанционно управляемых реле, с горизонтально расположенными излучающими (Фиг.1, лучи А и В) и компенсирующими (Фиг.1, лучи С и D) лучами, выполненными жесткими самонесущими, из легких материалов, образуя, вместе сними антенную систему.
В предлагаемой антенне предусмотрены следующие отличия: два, более длинных, излучающих луча (Фиг.1, лучи А и В), выполнены жесткими самонесущими, из легких материалов и расположены в плоскости рамки. В режиме направленной работы, переключаемой направленной рамочно-лучевой антенны, оба излучающих луча присоединены с помощью одного из нормально замкнутых, переключающих контактов (К-1 или К-2 Фиг.1) дистанционно управляемых реле, к одному из выводов конденсатора С-2, в свою очередь соединенного с одной из двух сторон излучающей рамки. В случае же работы предлагаемой антенны с круговой диаграммой направленности каждый из лучей с помощью нормально замкнутых, переключающих контактов (К-1 и К-2 Фиг.1) реле подключается к той части рамки, со стороны которой он расположен. Два других, вчетверо более коротких, чем излучающие лучи, компенсирующих луча (Фиг.1, лучи С и D), также выполнены 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 в режиме направленной работы присоединены с помощью контактов (К-3 или К-4, Фиг.1) дистанционно управляемых реле, к противоположному, по отношению к точке подключения излучающих лучей, выводу конденсатора С-2 и соответственно противоположному выводу излучающей рамки. В режиме работы, переключаемой направленной рамочно-лучевой антенны, с круговой диаграммой направленности, эти лучи с помощью нормально разомкнутых контактов (К-3, К-4 Фиг.1) реле, отключаются от рамки и остаются никуда не подключенными.
В режиме направленной работы, переключаемой направленной рамочно-лучевой антенны, напряжение и ток в излучающем луче, находящийся 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 расположенные перпендикулярно длинным, излучающим лучам и самой рамке, служат для обеспечения симметрии антенны и создания электрического поля. Они находятся в такой точке антенны, где режиме направленной работы, 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. При изменении диаграммы направленности, на противоположное направление, с помощью контактов дистанционно управляемых реле компенсирующие лучи так же переключаются к противоположной части рамки. В обоих случаях, в формировании диаграммы направленности они не участвуют.
В режиме работы с круговой диаграммой направленности, с помощью контактов дистанционно управляемых реле излучающие лучи подключаются так же как в прототипе, к той стороне рамки, с которой они расположены и способствуют формированию круговой диаграммы направленности, а компенсирующие лучи остаются не подключенными и в излучении не участвуют. При этом, обеспечивается круговая диаграмма направленности.
Таким образом, предлагаемая антенна, выполненная в виде жесткой рамки, с жесткими самонесущими лучами, из легких материалов и установленная 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. В представляемой антенне, при необходимости, с помощью дистанционно управляемых реле имеется возможность без поворота самой антенны, изменить направление диаграммы направленности на противоположное направление, либо переключить антенну на работу, с такой же, как у прототипа, круговой диаграммой направленности. Антенна не требует оборудования разветвленной системой заземления или противовесов. 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. Это, при наличии 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. Наличие контактов дистанционно управляемых реле, с помощью которых происходит изменение точек подключения излучающих и компенсирующих лучей, позволяет без поворота самой антенны изменить направление излучения на противоположное либо сформировать круговую диаграмму направленности. Наличие излучающих и компенсирующих лучей, позволяет отказаться от использования разветвленной системы заземления или противовесов. 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. Наличие только одной, необходимой для установки опоры, позволяет осуществлять поворот антенны в нужном направлении. При обеспечении малого угла возвышения в вертикальной плоскости диаграммы направленности, возможно, 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
Предлагаемая, переключаемая направленная рамочно-лучевая антенна, состоит из рамочной части антенны, изготовленной из коаксиально расположенных проводников и оборудованной конденсаторами настройки, лучевой части выполненной из прямолинейных проводников, группы реле, цепей их управления, 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. Дистанционно управляемые реле оборудованы соответствующими цепями управления, 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 изготовленные из легких материалов в виде жестких, самонесущих проводников так же крепятся к мачте. Управление формой диаграммы направленности осуществляется дистанционно с помощью реле. 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 изменения направления работы антенны на противоположное, без поворота самой антенны.
3. возможность переключения антенны в режим с круговой диаграммой направленности.
4. возможность монтажа антенны с помощью одной опоры.
5. возможность поворота антенны в необходимом направлении.
6. отсутствие значительной парусности
7. отсутствие искажения диаграммы направленности при наличии проводящих предметов и других антенн в близи антенны
8. обеспечение малого угла возвышения в вертикальной плоскости диаграммы направленности при высоте подвеса значительно менее ½ длинны волны.
1. Переключаемая 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, отличающаяся тем, что контур, образованный внутренним коаксиальным проводником и настроечным конденсатором С-1, не участвует в излучении, наружный контур соединен с помощью контактов, дистанционно управляемых реле, с горизонтально расположенными излучающими и компенсирующими лучами, выполненными жесткими самонесущими, из легких материалов, образуя вместе с ними антенную систему.
2. Переключаемая направленная рамочно-лучевая антенна по п.1, отличающаяся тем, что контур, образованный внутренним коаксиальным проводником и конденсатором С-1, не участвует в излучении и служит для обеспечения в необходимых случаях синфазности либо противофазности магнитных и электрических полей, соответствующих частей антенны.
3. Переключаемая направленная рамочно-лучевая 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. Переключаемая направленная рамочно-лучевая 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. Переключаемая направленная рамочно-лучевая 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.
6. Переключаемая направленная рамочно-лучевая антенна по п.1, отличающаяся тем, что переключение излучающих и компенсирующих лучей с помощью контактов дистанционно управляемых реле позволяет изменить диаграмму направленности антенны на противоположное направление.
7. Переключаемая направленная рамочно-лучевая антенна по п.1, отличающаяся тем, что переключение излучающих и компенсирующих лучей с помощью контактов дистанционно управляемых реле позволяет изменить диаграмму направленности антенны с направленной на круговую.
