RU2360339C2

RU2360339C2 - "carousel" all-round radiation antenna with square-frame elements

Info

Publication number: RU2360339C2
Application number: RU2007124418/09A
Authority: RU
Inventors: Владимир Иванович Милкин (RU); Владимир Иванович Милкин; Павел Сергеевич Коновалов (RU); Павел Сергеевич Коновалов
Priority date: 2007-06-28
Filing date: 2007-06-28
Publication date: 2009-06-27
Also published as: RU2007124418A

Abstract

FIELD: radio engineering.

SUBSTANCE: present invention relates to radio engineering, particularly to: all-round radiation antennae with in-phase excitation and central power supply and can be used for making horizontal polarisation broadband antennae with an isotropic azimuth directional pattern when operating in the metre-decimetre wavelength range of radio waves. The antenna has an integral curtain made from square-frame structures of vibrators, which is curved on a circle about a centre, inside of which there is a cylindrical reflective-scattering conducting element with a common point of symmetry with the antenna and with a radius, less than the radius of the circle of square-frame curtain by (0.15-0.27)λ, where λ is the average operating wavelength.

EFFECT: higher amplification coefficient.

2 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в антенно-фидерных устройствах в качестве широкополосной антенны горизонтальной поляризации с изотропной азимутальной диаграммой направленности при работе преимущественно в метровом-дециметровом диапазоне длин радиоволн в приемно-передающих вариантах.The invention relates to radio engineering and can be used in antenna-feeder devices as a broadband horizontal polarization antenna with an isotropic azimuthal radiation pattern when working mainly in the meter-decimeter range of radio wavelengths in the transmitting and receiving versions.

Для создания излучения с горизонтальной поляризацией, близкого к равномерному по всем направлениям в горизонтальной плоскости, известны турникетные антенны (Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. - М.: Высш. шк., стр.251-253, рис.10.8). Они представляют собой систему из двух перпендикулярных вибраторов с совмещенными центрами. При питании вибраторов токами равных амплитуд с фазовым сдвигом

в плоскости расположения вибраторов образуется линейная поляризация с круговым излучением в горизонтальной плоскости. Недостатком таких антенн является то, что максимумы излучения образуются в перпендикулярных плоскости расположения направлениях. Кроме этого, линейная поляризация обеспечивается только в плоскости расположения вибраторов, а во всех остальных направлениях поляризация становится эллиптической.To create radiation with horizontal polarization, which is close to uniform in all directions in the horizontal plane, turnstile antennas are known (Sazonov D.M. Antennas and microwave devices. - M.: Higher school bus, p. 251-253, Fig. 10.8) . They are a system of two perpendicular vibrators with aligned centers. When feeding vibrators with currents of equal amplitudes with a phase shift

in the plane of the vibrators, a linear polarization is formed with circular radiation in the horizontal plane. The disadvantage of such antennas is that radiation maxima are formed in directions perpendicular to the plane of the arrangement. In addition, linear polarization is provided only in the plane of the vibrators, and in all other directions the polarization becomes elliptical.

Известна всенаправленная антенна (RU 2180151 С1, 27.06.2000), содержащая в горизонтальной плоскости круглую горизонтальную металлическую рамку, размеры которой сравнимы с длиной рабочей волны, выполненную с разрывами, в которые включены реактивные элементы, которые выполнены из проводников, изогнутых в форме меандров, причем разрывы рамки выполнены на расстояниях от точки питания, соответствующих углам 45°, 135°, 225° и 315°, а максимальный линейный размер поперечного сечения проводника меандра в 5-10 раз меньше максимального размера поперечного сечения проводника рамки. Действительно, эта антенна обеспечивает квазиизотропную диаграмму направленности в горизонтальной плоскости без нулевых провалов, но в узкой полосе частот на оптимальную нагрузку, так как конструктивно выполнена с сосредоточенными реактивными элементами.Known omnidirectional antenna (RU 2180151 C1, 06/27/2000), containing in the horizontal plane a round horizontal metal frame, the dimensions of which are comparable to the working wavelength, made with gaps, which include reactive elements made of conductors curved in the form of meanders, moreover, the frame breaks are made at distances from the feed point corresponding to angles of 45 °, 135 °, 225 ° and 315 °, and the maximum linear cross-sectional dimension of the meander conductor is 5-10 times smaller than the maximum cross-sectional size conductor frame. Indeed, this antenna provides a quasi-isotropic radiation pattern in the horizontal plane without zero dips, but in a narrow frequency band at the optimal load, as it is structurally made with concentrated reactive elements.

Для горизонтально поляризованных сигналов наиболее оптимальной антенной при реализации широкополосной изотропной азимутальной диаграммы направленности является рамка с периметром, не превосходящим

, где λ_мин - минимальная длина рабочей волны (Логинов Н.А. Актуальные вопросы радиоконтроля в Российской Федерации. - М.: Радио и связь, 2000, стр.102). При этом максимальная действующая длина вибратора, пропорциональная площади рамки и обратно пропорциональная длине рабочей волны, будет более чем в 10 раз меньше действующей длины волны полуволнового вибратора.For horizontally polarized signals, the most optimal antenna when implementing a broadband isotropic azimuthal radiation pattern is a frame with a perimeter not exceeding

where λ _min is the minimum working wavelength (N. Loginov. Actual issues of radio monitoring in the Russian Federation. - M .: Radio and communications, 2000, p. 102). In this case, the maximum effective length of the vibrator, proportional to the area of the frame and inversely proportional to the length of the working wave, will be more than 10 times less than the effective wavelength of the half-wave vibrator.

Наиболее близкой по технической сущности к заявленному изобретению является двойная квадратно-рамочная антенна кругового излучения (Карл Ротхаммель. Антенны. Том 2: Пер. с нем., Данвел. - М.: 2005, стр.127), содержащая четверку поэтапно расположенных синфазно возбуждаемых полуволновых полноразмерных вибраторов с центральным питанием.Closest to the technical nature of the claimed invention is a double square-frame circular radiation antenna (Karl Rothammel. Antennas. Volume 2: Translated from German, Danwell. - M .: 2005, p. 127), containing four phase-in-phase excited half-wave full-sized vibrators with central power supply.

Процесс возбуждения квадратно-рамочных элементов от центрального входа антенны с коммутацией на все четыре двойных элемента осуществляется через отдельные двойные линии одинаковой длины, что обеспечивает синфазность возбуждения вибраторов и входное сопротивление антенны, равное 75 Ом, так как входные сопротивления каждого из четверки параллельно соединенных двойных элементов составляют по 300 Ом. Ширина диаграммы направленности в горизонтальной плоскости каждого из двойных элементов соответствует ширине диаграммы полуволнового вибратора и равна 80°, что в комплексе обеспечивает приблизительно круговое излучение в горизонтальной плоскости при ширине диаграммы в вертикальной плоскости до 60°.The process of excitation of square-frame elements from the central input of the antenna with switching to all four double elements is carried out through separate double lines of the same length, which ensures the synchronism of excitation of the vibrators and the input impedance of the antenna, equal to 75 Ohms, since the input resistances of each of the four parallel-connected double elements make up 300 ohms. The width of the radiation pattern in the horizontal plane of each of the double elements corresponds to the width of the diagram of the half-wave vibrator and is equal to 80 °, which in the complex provides approximately circular radiation in the horizontal plane with the width of the diagram in the vertical plane up to 60 °.

К недостаткам прототипа, кроме диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, более близкой к скругленному квадрату с плавными углублениями до 3 дБ, следует отнести чрезвычайно низкую величину коэффициента усиления антенны, что объясняется недостаточно эффективным взаимовлиянием комбинации элементов на фазовые соотношения, так как разнесение на

квадратно-рамочных элементов, питаемых в противофазе, не гасит обратного излучения.The disadvantages of the prototype, in addition to the radiation pattern in the horizontal plane, closer to the rounded square with smooth recesses up to 3 dB, should include an extremely low antenna gain, due to the insufficiently effective interference of the combination of elements on the phase relationships, since the spacing on

square-frame elements, fed in antiphase, do not dampen back radiation.

Целью изобретения является увеличение коэффициента усиления и создание изотропной азимутальной диаграммы направленности в широкой полосе частот.The aim of the invention is to increase the gain and the creation of an isotropic azimuthal radiation pattern in a wide frequency band.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в антенне кругового излучения с квадратно-рамочными элементами, содержащей четверку синфазно возбуждаемых, размещенных по периметру вибраторов 1 с центральной точкой питания 2, проводники 3 квадратно-рамочных элементов образуют смежные полувибраторы, которые соединяются с соседними, образуя замкнутые квадраты, боковые углы 4 которых являются точками двухпроводных узлов питания 5, причем целостное полотно 6 из кратных четырем смежных синфазно возбуждаемых квадратно-рамочных структур вибраторов 1 выгнуто относительно центральной точки питания по окружности с образованием равноудаленного от центра квадратно-рамочного полотна 6 с дополнительным введением вовнутрь цилиндрического отражательно-рассеивающего проводящего элемента 7 с общей для антенны точкой симметрии 8 с радиусом 9, меньшим радиуса окружности квадратно-рамочного полотна 10 на (0.15-0.27)λ средней рабочей длины волны, и высотой цилиндрического элемента, большей

максимальной рабочей длины волны.To solve the problem with the achievement of the specified technical result in a circular radiation antenna with square-frame elements containing four in-phase excited, placed along the perimeter of the vibrators 1 with a central power point 2, the conductors 3 of the square-frame elements form adjacent half-vibrators that are connected to adjacent forming closed squares, the lateral angles 4 of which are points of two-wire power units 5, and the integral web 6 of four multiples of four adjacent in-phase excited the square-frame structures of the vibrators 1 are bent relative to the central power point around the circle with the formation of a square-frame web 6 equidistant from the center with the addition of a cylindrical reflective-scattering conductive element 7 with a symmetry point 8 common to the antenna with a radius of 9 smaller than the square radius frame web 10 at (0.15-0.27) λ of the average working wavelength, and the height of the cylindrical element, greater

maximum working wavelength.

За счет технического решения по дополнению антенны с введением вовнутрь цилиндрического отражательно-рассеивающего проводящего элемента, кроме его работы как рефлектора, удалось устранить взаимовлияние комбинации элементов по ухудшению фазовых соотношений, причем его цилиндрическая форма с длиной окружности при предлагаемых соотношениях радиуса относительно средней рабочей длины волны, всегда большей

средней рабочей длины волны, обеспечивает его работу в качестве рефлектора, а изгиб по окружности квадратно-рамочных элементов и всего полотна антенны с равноудаленной структурой активных вибраторов от пассивного рефлектора обеспечивают классический режим работы вибраторной антенны с расширением диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, что в комплексе дает новое качество с достижением заявленного технического результата при разрешении поставленной задачи.Due to the technical solution to supplement the antenna with the introduction of a cylindrical reflective-scattering conductive element inside, in addition to its work as a reflector, it was possible to eliminate the mutual influence of the combination of elements on the deterioration of phase relations, moreover, its cylindrical shape with a circle length at the proposed radius ratios relative to the average working wavelength, always greater

the average working wavelength, ensures its operation as a reflector, and the bending around the circumference of the square-frame elements and the entire antenna sheet with an equidistant active vibrator structure from the passive reflector provides the classic mode of operation of the vibrator antenna with an expansion of the radiation pattern in the horizontal plane, which together gives new quality with the achievement of the claimed technical result in solving the problem.

Указанные преимущества, а также особенности изобретения поясняются вариантом его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи.These advantages, as well as features of the invention are illustrated by an embodiment with reference to the accompanying drawings.

Фиг.1 схематично изображает антенну.Figure 1 schematically depicts an antenna.

Фиг.2 - диаграммы направленности горизонтальной поляризации в горизонтальной и вертикальной плоскостях с таблицей величин коэффициентов усиления.Figure 2 - radiation patterns of horizontal polarization in the horizontal and vertical planes with a table of values of the amplification factors.

Работа «карусельной» антенны рассматривается в вариации ее реализации с отражательно-рассеивающим проводящим элементом, выполняющим роль рефлектора, с диаметром окружности, равным диаметру граней вписанного многоугольника, и квадратно-рамочными элементами из линейных проводников с кусочно-ломаными участками при равноудаленных от оси симметрии антенны мест перегибов.The operation of the “carousel" antenna is considered in a variation of its implementation with a reflective-scattering conductive element acting as a reflector, with a circle diameter equal to the diameter of the faces of the inscribed polygon, and square-frame elements of linear conductors with piecewise-broken sections at equal distance from the axis of symmetry of the antenna places of excesses.

Возбуждение квадратно-рамочных элементов осуществляется аналогично процессу, текущему в цепях прототипа, и данная антенна излучает радиоволны, у которых вектор поляризации электрического поля параллелен плоскости расположения кругового полотна антенны, которые из проводников, образующих замкнутые квадраты из двух полувибраторов каждый, составляют по кругу своеобразную карусель. Введенный вовнутрь цилиндрический отражательно-рассеивающий проводящий элемент, как рефлектор любой вибраторной антенны, ослабляет обратное излучение и увеличивает коэффициент усиления в основном направлении. Активные вибраторы, изогнутые по кругу, и цилиндрический рефлектор при равном радиальном удалении друг от друга обеспечивают классический режим работы каждого из вибраторов при расширении диаграммы направленности в горизонтальной плоскости и в комплексе ее полного округления.The excitation of square-frame elements is carried out similarly to the process current in the prototype circuits, and this antenna emits radio waves in which the polarization vector of the electric field is parallel to the plane of the circular antenna web, which of the conductors forming closed squares of two half-vibrators each make up a kind of roundabout . The cylindrical reflective-scattering conductive element introduced into the interior, like a reflector of any vibrator antenna, attenuates back radiation and increases the gain in the main direction. Active vibrators, bent in a circle, and a cylindrical reflector with equal radial distance from each other provide the classic mode of operation of each of the vibrators when expanding the radiation pattern in the horizontal plane and in the complex of its full rounding.

Кроме этого, с целью обеспечения грозозащиты и упрощения изготовления и эксплуатации в «карусельной» антенне дополнительно как верхние, так и нижние углы квадратно-рамочных элементов соединяют между собой по образующей окружности. В средних точках между верхними и нижними углами квадратно-рамочных элементов находятся точки нулевого потенциала и соединительные проводники в этих точках соединяют дополнительными проводниками с отражательно-рассеивающим элементом, обеспечивая грозозащиту всей антенны.In addition, in order to ensure lightning protection and simplify the manufacture and operation of a “carousel" antenna, in addition, both the upper and lower corners of the square-frame elements are connected to each other along a circumferential circle. At the midpoints between the upper and lower corners of the square-frame elements there are points of zero potential and the connecting conductors at these points are connected by additional conductors to the reflective-scattering element, providing lightning protection for the entire antenna.

Работоспособность и преимущества заявляемого устройства по сравнению с антенной-прототипом наглядно подтверждаются электронным моделированием в программе MMANAGAL и проверкой испытаниями макета.The performance and advantages of the claimed device compared to the prototype antenna are clearly confirmed by electronic modeling in the MMANAGAL program and verification by testing the layout.

Техническая реализация в зависимости от диапазона использования заявляемой антенны может осуществляться на низких частотах из металлических каркасно-навесных конструкций, а на высоких частотах - путем печатных технологий с применением цилиндрических диэлектрических оснований.Technical implementation, depending on the range of use of the claimed antenna, can be carried out at low frequencies from metal frame-mounted structures, and at high frequencies through printing technologies using cylindrical dielectric bases.

Claims

A "roundabout" circular radiation antenna with square-frame elements, containing four in-phase excited centrally-mounted vibrators placed around the perimeter, characterized in that the conductors of the square-frame elements, instead of forming the upper and lower halves of the closed parts of the upper and lower square-frame elements, form adjacent right and left half vibrators of each vibrator, and the integral canvas is a multiple of four adjacent in-phase excited square-frame elements of the vibrators arched o relative to the central power point around the circle with the formation of a square-frame web equidistant from the center, and the angles of adjacent in-phase square-frame elements of the vibrators are the points of two-wire power units, while a cylindrical reflective-diffusing conductive element is additionally introduced into the structure of the square-frame elements of the vibrators with a common symmetry point for the antenna and with a radius smaller than the radius of the circumference of the square-frame web by (0.15-0.27) λ, average working length waves and a height greater

maximum working wavelength.