RU2655638C1

RU2655638C1 - Vertical polarization antenna

Info

Publication number: RU2655638C1
Application number: RU2017121907A
Authority: RU
Inventors: Валерий Алексеевич Орлов; Тамара Семеновна Бирюкова; Галина Анатольевна Сулимова; Сергей Эврикович Скибин; Андрей Петрович Маликов
Original assignee: Акционерное общество "Научно-производственное объединение Измерительной техники" (АО "НПО ИТ")
Priority date: 2017-06-21
Filing date: 2017-06-21
Publication date: 2018-05-29

Abstract

FIELD: antenna equipment.

SUBSTANCE: invention relates to antenna-feeder devices, namely to vertical polarization antennas for radio communication along the Earth's surface. Vertical polarization antenna comprises a metal mast with an emitter attached to the upper end of the mast by means of the first metal jumper link. Emitter consists of two rods, located parallel to the metal mast at distances which are much smaller than the length of the working wave. Ends of the rods are connected to each other by a second metal jumper link. Input coaxial cable is laid along the metal mast and connected to it by an external conductor, and its central conductor is connected to the second metal jumper link. Gap is made between the feeder shell and jumper link at the feed points. Counterbalance is similar to the radiator and comprises a third metal jumper link, by means of which the upper ends of the rods are connected to the metal mast. Length of the rods is approximately ¼ of the wavelength of the lower edge of the working range. On the insulators opposite the point of connection of the input coaxial cable, passive elements are installed, the distance between which is less than a quarter of the working frequency range wave.

EFFECT: technical result is increased amplification factor in the direction of the horizon, expanded working range, increased strength for operation under severe climatic conditions, and reduced parasitic influence of the metal mast.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к антенно-фидерным устройствам, а именно к антеннам вертикальной поляризации, предназначенным для радиосвязи вдоль поверхности земли.The invention relates to antenna-feeder devices, namely, vertical polarization antennas for radio communications along the surface of the earth.

Известна антенна вертикальной поляризации в виде четвертьволнового штыря, расположенного в центре металлического диска или снабженного противовесом из нескольких четвертьволновых стержней (Д.М. Сазонов. Антенны и устройства СВЧ. Москва, «Высшая школа», 1988 г., стр. 250, рис. 10.5). Максимум диаграммы направленности этой антенны расположены под высокими углами к горизонту, что уменьшает уровень сигнала вдоль поверхности земли.A vertical polarization antenna is known in the form of a quarter-wave pin located in the center of a metal disk or equipped with a counterweight of several quarter-wave rods (DM Sazonov. Microwave antennas and devices. Moscow, Higher School, 1988, p. 250, Fig. 10.5). The maximum radiation patterns of this antenna are located at high angles to the horizon, which reduces the signal level along the surface of the earth.

Недостатком этой антенны является малая широкополосность, не превышающая 10-15% (то же, стр. 251). Прочность горизонтальных или наклонных противовесов вследствие их консольного закрепления невелика, с учетом действия на них весовых и ветровых нагрузок в поперечном направлении.The disadvantage of this antenna is its low broadband, not exceeding 10-15% (same, p. 251). The strength of horizontal or inclined counterweights due to their cantilever fixing is low, taking into account the effect of weight and wind loads in the transverse direction on them.

Металлическая мачта, на вершине которой установлена антенна, соединена гальванически с нижним плечом антенны (диском или противовесом) и находится под высокочастотным напряжением, поэтому по ней текут токи, создающие паразитное излучение и уменьшающие коэффициент усиления антенны в направлении горизонта (А.С. Лавров, Г.Б. Резников. Антенно-фидерные устройства. Москва, «Сов. радио», 1974 г., стр. 123, рис. 6.4).The metal mast, on top of which the antenna is mounted, is galvanically connected to the lower arm of the antenna (disk or counterbalance) and is under high-frequency voltage, therefore currents flow through it, creating spurious radiation and decreasing the antenna gain in the horizontal direction (A.S. Lavrov, GB Reznikov, Antenna-feeder devices, Moscow, Sov. Radio, 1974, p. 123, Fig. 6.4).

Некоторое расширение полосы согласования достигается выполнением штыря антенны в виде коаксиальной конструкции. (К.П. Харченко. УКВ антенны, «Радиософт», Москва, 2010 г., стр. 137, рис. 93). Другие отмеченные выше недостатки сохраняются и в данной конструкции.Some extension of the matching band is achieved by making the antenna pin in the form of a coaxial design. (KP Kharchenko. VHF antennas, Radiosoft, Moscow, 2010, p. 137, Fig. 93). Other disadvantages noted above remain in this design.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является антенна с излучателем в виде двух стержней, расположенных параллельно мачте и соединенных с ее вершиной металлической перемычкой, и противовеса в виде стержней, соединенных с мачтой верхними концами, выбранная в качестве прототипа (К.П. Харченко, УКВ антенны, «Радиософт», Москва, 2010 г., стр. 138, рис. 94). Этой антенне также свойственны перечисленные недостатки.The closest in technical essence to the proposed invention is an antenna with an emitter in the form of two rods located parallel to the mast and connected to its top by a metal bridge, and a counterweight in the form of rods connected to the mast with upper ends, selected as a prototype (K.P. Harchenko , VHF antennas, Radiosoft, Moscow, 2010, p. 138, Fig. 94). This antenna also has the listed disadvantages.

Достигаемый технический результат состоит в увеличении коэффициента усиления в направлении горизонта, расширении рабочего диапазона, увеличении прочности для эксплуатации в тяжелых климатических условиях, уменьшении паразитного влияния металлической мачты.The technical result achieved consists in increasing the gain in the horizontal direction, expanding the operating range, increasing the strength for operation in severe climatic conditions, and reducing the parasitic effect of the metal mast.

Результат достигается тем, что в антенне вертикальной поляризации, содержащей металлическую мачту, излучатель в виде двух стержней, установленных на мачте симметрично и параллельной ей и соединенных с ее верхним концом первой металлической перемычкой, длиной много меньшей длины рабочей волны, причем нижние концы стержней соединены между собой второй металлической перемычкой, входной коаксиальный кабель, проложенный по металлической мачте и присоединенный центральным проводником ко второй металлической перемычке, а внешним проводником к металлической мачте с зазором и противовес в виде стержней, два одинаковых стержня противовеса расположены параллельно и симметрично относительно металлической мачты в одной плоскости со стержнями излучателя и соединены с ней в верхней части третьей металлической перемычкой, равной по длине первой металлической перемычке.The result is achieved in that in a vertical polarization antenna containing a metal mast, a radiator in the form of two rods mounted symmetrically and parallel to it and connected to its upper end by a first metal jumper much shorter than the working wavelength, the lower ends of the rods being connected between a second metal jumper, an input coaxial cable laid along a metal mast and connected by a central conductor to the second metal jumper, and an external conductor ohm to the metal mast with a gap and a counterweight in the form of rods, two identical counterweight rods are parallel and symmetrical to the metal mast in the same plane as the emitter rods and connected to it in the upper part of the third metal jumper equal in length to the first metal jumper.

Для снижения нежелательного возбуждения металлической мачты против зазора между излучателем и третьей металлической перемычкой в плоскости стержней излучателя и противовеса симметрично зазору и металлической мачте установлены на изоляторах два пассивных элемента в виде стержней, длина которых меньше суммарной длины излучателя и противовеса, а расстояние между ними меньше четверти длины минимальной волны рабочего диапазона, причем длина пассивных элементов и расстояние между ними подбираются по наилучшему согласованию на верхних частотах заданного рабочего диапазона антенны вертикальной поляризации.To reduce unwanted excitation of the metal mast against the gap between the emitter and the third metal jumper in the plane of the emitter and counterweight rods, two passive elements in the form of rods are installed on the insulators symmetrically to the gap and the metal mast, the length of which is less than the total length of the emitter and the counterweight, and the distance between them is less than a quarter the minimum wavelength of the operating range, and the length of the passive elements and the distance between them are selected according to the best agreement at the top The frequencies of the given operating range of the vertical polarization antenna.

На чертеже представлена антенна вертикальной поляризации, вид спереди, где цифрами обозначено:The drawing shows an antenna of vertical polarization, front view, where the numbers indicate:

1 - металлическая мачта;1 - metal mast;

2 - излучатель;2 - emitter;

3 - первая металлическая перемычка;3 - the first metal jumper;

4 - стержень;4 - a core;

5 - вторая металлическая перемычка;5 - second metal jumper;

6 - входной коаксиальный кабель;6 - input coaxial cable;

7 - противовес;7 - counterweight;

8 - третья металлическая перемычка;8 - the third metal jumper;

9 - изолятор;9 - an insulator;

10 - пассивный элемент.10 - passive element.

Антенна вертикальной поляризации содержит металлическую мачту 1, на верхнем конце которой закреплен излучатель 2 посредством первой металлической перемычки 3. Излучатель 2 состоит из двух стержней 4, расположенных параллельно металлической мачте на расстояниях от нее, много меньших длины рабочей волны. Концы стержней 4 соединены между собой второй металлической перемычкой 5. Входной коаксиальный кабель 6 проложен по металлической мачте 1 и соединен с ней внешним проводником, а его центральный проводник присоединен ко второй металлической перемычке. Между оболочкой фидера и перемычкой 5 в точках питания сделан зазор. Противовес 7 выполнен подобно излучателю 2 и содержит третью металлическую перемычку 8, посредством которой верхние концы стержней 4 присоединены к металлической мачте 1. Длина стержней 4 равна приблизительно

длины волны нижнего края рабочего диапазона. На изоляторах 9 напротив точки подключения входного коаксиального кабеля 6 установлены пассивные элементы 9, расстояние между которыми меньше четверти волны рабочего диапазона частот.The vertical polarization antenna contains a metal mast 1, at the upper end of which a radiator 2 is fixed by means of a first metal jumper 3. The radiator 2 consists of two rods 4 located parallel to the metal mast at distances from it much shorter than the working wavelength. The ends of the rods 4 are interconnected by a second metal jumper 5. The input coaxial cable 6 is laid along the metal mast 1 and is connected to it by an external conductor, and its central conductor is connected to the second metal jumper. A gap is made between the feeder sheath and jumper 5 at the supply points. The counterweight 7 is made like a radiator 2 and contains a third metal jumper 8, through which the upper ends of the rods 4 are connected to the metal mast 1. The length of the rods 4 is approximately

wavelengths of the lower edge of the operating range. On insulators 9 opposite the connection point of the input coaxial cable 6, passive elements 9 are installed, the distance between which is less than a quarter of the wave of the working frequency range.

Антенна работает следующим образом. Напряжение, подведенное по входному коаксиальному кабелю 6, возбуждает токи на излучателе 2 и на нижней части антенны, состоящей из мачты 1 и противовеса 7. Ток, протекающий по противовесу 7, много больше тока, протекающего по мачте 1, поскольку стержни противовеса 7 образуют отрезок линии длиной четверть волны, разомкнутый на конце. Его входное сопротивление в точке его присоединения к мачте мало (близко к нулю), поэтому ток в основном идет в противовес 7, а не по мачте. Для токов на мачте 1 образуется запирающий четвертьволновой стакан.The antenna works as follows. The voltage supplied through the input coaxial cable 6 excites currents on the emitter 2 and on the lower part of the antenna, consisting of a mast 1 and a counterweight 7. The current flowing along the counterweight 7 is much greater than the current flowing through the mast 1, since the counterweight rods 7 form a segment quarter-wave lines open at the end. Its input resistance at the point of its attachment to the mast is small (close to zero), so the current mainly goes as opposed to 7, and not along the mast. For currents, a quarter-wave locking cup is formed on mast 1.

Токи, протекающие по излучателю 2 и противовесу 7, наводят токи в пассивных элементах 10, настроенных в резонанс на верхние частоты рабочего диапазона. Подбором длины пассивных элементов 10 и их расстояния от активных излучателя 2 и противовеса 7 можно в значительных пределах менять полосу согласования антенны. Введение пассивных элементов 10 дополнительно снижает нежелательное возбуждение металлической мачты 1 в диапазоне их действия, т.е. на верхних частотах рабочего диапазона, т.к. они экранированы от мачты 1 излучателем 2 и противовесом 7.The currents flowing through the emitter 2 and the counterweight 7 induce currents in the passive elements 10 tuned in resonance to the upper frequencies of the operating range. By selecting the length of the passive elements 10 and their distance from the active emitter 2 and the counterweight 7, it is possible to significantly change the antenna matching band. The introduction of passive elements 10 further reduces the unwanted excitation of the metal mast 1 in the range of their action, i.e. at higher frequencies of the operating range, as they are shielded from the mast 1 by the emitter 2 and the counterweight 7.

Так как предлагаемая антенна содержит только вертикальные излучающие элементы, максимум ее диаграммы в вертикальной плоскости направлен перпендикулярно металлической мачте 1, т.е. горизонтально. Поперечный размер антенны менее четверти длины волны, поэтому в горизонтальной плоскости ее диаграмма направленности практически круговая.Since the proposed antenna contains only vertical radiating elements, the maximum of its diagram in the vertical plane is directed perpendicular to the metal mast 1, i.e. horizontally. The transverse size of the antenna is less than a quarter of the wavelength, so in the horizontal plane its radiation pattern is almost circular.

В конструкции антенны отсутствуют консольно закрепленные горизонтальные или наклонные элементы, поэтому ее прочность выше известных аналогов.In the design of the antenna there are no cantilevered horizontal or inclined elements, so its strength is higher than the known analogues.

Для дальнейшего увеличения широкополосности полезно включить четвертьволновой трансформатор с повышенным волновым сопротивлением между входным коаксиальным кабелями 6 и точкой питания, например 75-омный трансформатор при 50-омном входном коаксиальном кабеле 6.To further increase the broadband, it is useful to include a quarter-wave transformer with increased wave resistance between the input coaxial cables 6 and the power point, for example, a 75-ohm transformer with a 50-ohm input coaxial cable 6.

Работоспособность и достижение технического эффекта предложенной антенны подтверждаются многими проведенными заявителем экспериментами с макетами в разных частотных диапазонах. Например, антенна общей длиной 1010 мм, установленная на мачте диаметром 18 мм и длиной 3 м, с двумя пассивными элементами длиной 770 мм, расстояние между которыми 210 мм, согласована по КСВ менее 2 в диапазоне от 140 до 184 МГц имеет в этом диапазоне в вертикальной плоскости диаграмму направленности, совпадающую с диаграммой направленности вертикального вибратора, и круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости. Ее коэффициент усиления в этом диапазоне 1,5-1,6.The performance and technical effect of the proposed antenna are confirmed by many experiments conducted by the applicant with mock-ups in different frequency ranges. For example, an antenna with a total length of 1010 mm installed on a mast with a diameter of 18 mm and a length of 3 m, with two passive elements with a length of 770 mm, the distance between which is 210 mm, is matched by SWR of less than 2 in the range from 140 to 184 MHz in this range in vertical plane radiation pattern matching the vertical radiation pattern of the vibrator, and a circular radiation pattern in the horizontal plane. Its gain in this range is 1.5-1.6.

Claims

A vertical polarization antenna containing a metal mast, an emitter in the form of two rods mounted symmetrically and parallel to it and connected to its upper end by a first metal jumper with a length much shorter than the working wave, the lower ends of the rods being connected to each other by a second metal jumper, input coaxial cable laid along the metal mast and connected by the central conductor to the second metal jumper, and the external conductor to the metal mast with a gap m, and a counterweight in the form of rods, characterized in that two identical counterweight rods are parallel and symmetrical to the metal mast in the same plane as the emitter rods and connected to it in the upper part by a third metal jumper equal in length to the first metal jumper, and against the gap between the emitter and the third metal jumper in the plane of the emitter and counterweight rods, two passive elements are installed on the insulators symmetrically with respect to the gap and the metal mast in the form of rods whose length is less than the total length of the emitter and counterweight, and the distance between them is less than a quarter of the minimum wavelength of the operating range.