RU2713163C1 - Method of constructing an omnidirectional annular antenna array and an antenna that implements it - Google Patents

Method of constructing an omnidirectional annular antenna array and an antenna that implements it Download PDF

Info

Publication number
RU2713163C1
RU2713163C1 RU2019122874A RU2019122874A RU2713163C1 RU 2713163 C1 RU2713163 C1 RU 2713163C1 RU 2019122874 A RU2019122874 A RU 2019122874A RU 2019122874 A RU2019122874 A RU 2019122874A RU 2713163 C1 RU2713163 C1 RU 2713163C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
antenna
antenna elements
phase
antenna array
phase centers
Prior art date
Application number
RU2019122874A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Юрий Александрович Костычов
Григорий Викторович Афонин
Галина Дмитриевна Скорына
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Межгосударственная Корпорация Развития" (ОАО "Межгосударственная Корпорация Развития")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Межгосударственная Корпорация Развития" (ОАО "Межгосударственная Корпорация Развития") filed Critical Открытое акционерное общество "Межгосударственная Корпорация Развития" (ОАО "Межгосударственная Корпорация Развития")
Priority to RU2019122874A priority Critical patent/RU2713163C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2713163C1 publication Critical patent/RU2713163C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q11/00Electrically-long antennas having dimensions more than twice the shortest operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q11/02Non-resonant antennas, e.g. travelling-wave antenna
    • H01Q11/08Helical antennas
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/20Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart the units being spaced along or adjacent to a curvilinear path
    • H01Q21/205Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart the units being spaced along or adjacent to a curvilinear path providing an omnidirectional coverage

Abstract

FIELD: radio equipment.
SUBSTANCE: invention relates to radio engineering and is intended, in particular, for use in systems of mobile and fixed communication: land, air, sea in meter and decimeter ranges. Method of constructing an omnidirectional annular antenna array, in which antenna elements (AE) are placed with a fixed phase center such that distance between phase centers of neighboring AE does not exceed half of the shortest wavelength in the operating band, AE is selected electrically as full-size and galvanic connection is made between AE so that AE have common continuous geometrical contour of radiating part are electrically extended and traveling-wave mode is set in them. Antenna comprises AE 1 with fixed phase centers forming an omni-directional antenna array, wherein AE 1 are in-phase-fed, made in the form of double-lead spiral antennas, each AE 1 is galvanically connected to its adjacent end and distance between phase centers AE 1 is not more than half of the smallest wavelength in the operating range. AE 1 can be made in form of concave ellipsoid. Antenna can be equipped with reflector.
EFFECT: providing a wide band of operating frequencies while maintaining efficiency and small overall size.
5 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к области радиотехники и предназначено, в частности, для использования в системах подвижной и стационарной связи: сухопутной, воздушной, морской в метровом и дециметровом диапазонах.The invention relates to the field of radio engineering and is intended, in particular, for use in mobile and stationary communication systems: land, air, sea in the meter and decimeter ranges.

Известен способ передачи сигналов через всенаправленную кольцевую логопериодическую антенную решетку вертикальной поляризации (патент на изобретение RU2587495, МПК H01Q11/10, H01Q21/20, опубл. 20.06.2016 г.), основанный на разделении полной рабочей полосы частот на два диапазона частот передачи, при этом для каждого из диапазонов выделяют свои секции антенной решетки, назначают передаваемым сигналам канал передачи, распределяют назначенные каналы по диапазонам передачи и передают сигнал через соответствующие секции антенной решетки. Диапазон работы секции определен максимальным радиусом удаления фазового центра вдоль фидерной линии логопериодических антенных элементов (далее ЛПАЭ). Таким образом, широкополосность системы обусловлена снижением влияния эффекта увеличения электрического радиуса решетки, за счет масштабирования ЛПАЭ для каждого из диапазонов полной рабочей полосы. Недостатком данного способа является усложненная фидерная система, требующая отдельных устройств сложения мощности и диаграммобразования для каждого из диапазонов, и кроме того частотно-разделительных устройств. Использование в качестве антенных элементов (далее АЭ) логопериодических антенн, отличающихся подвижным фазовым центром, перемещающимся с ростом частоты от длинных к коротким излучателям ЛПАЭ, влечет за собой большее изменение электрического радиуса решетки, нежели при использовании АЭ с неподвижным (фиксированным) фазовым центром.A known method of transmitting signals through an omnidirectional ring log-periodic antenna array of vertical polarization (patent for invention RU2587495, IPC H01Q11 / 10, H01Q21 / 20, published on 06/20/2016), based on the division of the full working frequency band into two transmission frequency ranges, with in this case, for each of the ranges, their sections of the antenna array are allocated, the transmission channel is assigned to the transmitted signals, the assigned channels are distributed among the transmission ranges and the signal is transmitted through the corresponding sections of the antenna array. The range of operation of the section is determined by the maximum radius of removal of the phase center along the feeder line of log-periodic antenna elements (hereinafter LPAE). Thus, the broadband of the system is due to a decrease in the effect of an increase in the electric radius of the lattice due to the scaling of the LPAE for each of the ranges of the full working band. The disadvantage of this method is the complicated feeder system, requiring separate power addition devices and beamforming for each of the ranges, and in addition, frequency separation devices. The use of log periodic antennas as antenna elements (hereinafter referred to as AEs), characterized by a moving phase center, moving with increasing frequency from long to short emitters of the LPAE, entails a greater change in the electric radius of the grating than when using AEs with a fixed (fixed) phase center.

Известен метод CSA (current sheet array) ([1] c. 583-586), принятый за прототип, предусматривающий создание антенной решетки в виде системы сильно связанных АЭ. Антенная система (решетка), построенная по методу CSA, отличается тем, что имеет большую широкополосность в область низких частот по сравнению с отдельным составляющим ее элементом. Метод включает размещение АЭ как в вертикальной (относительно экрана), так и в горизонтальной (взаимное) плоскостях, таким образом, чтобы расстояние между соседними АЭ не превышало половины наименьшей длины волны в рабочем диапазоне, что в свою очередь обеспечивает отсутствие побочных минимумов/максимумов диаграммы направленности (далее ДН) решетки. Система построена так, чтобы емкостная связь между АЭ обеспечивала согласование в нижней части рабочего диапазона антенной решетки там, где АЭ не обеспечивает (в виду своего малого электрического размера (произведение волнового числа (отношение 2π к длине волны) на половину максимального габаритного размера антенного элемента, составляет величину не более 0,5 [1] с.475) согласование с трактом. Недостатком известного метода является снижение коэффициента усиления (далее КУ) в отношении коэффициента полезного действия (далее КПД), вследствие запасания части энергии, подводимой к АЭ, в областях сильной емкостной связи.The known method CSA (current sheet array) ([1] p. 583-586), adopted as a prototype, providing for the creation of an antenna array in the form of a system of strongly coupled AEs. The antenna system (array), constructed by the CSA method, is characterized in that it has a greater broadband in the low frequency region compared to its individual component. The method includes placing AEs both in the vertical (relative to the screen) and horizontal (mutual) planes, so that the distance between adjacent AEs does not exceed half the shortest wavelength in the operating range, which in turn ensures the absence of side minima / maxima of the diagram directivity (hereinafter NAM) of the lattice. The system is designed so that the capacitive coupling between the AEs ensures matching in the lower part of the operating range of the antenna array where the AE does not provide (in view of its small electrical size (the product of the wave number (ratio 2π to wavelength) and half the maximum overall size of the antenna element, is a value of not more than 0.5 [1] p. 475) matching with the path The disadvantage of this method is to reduce the gain (hereinafter KU) in relation to the efficiency (hereinafter referred to as efficiency), due to Pasanen of the energy supplied to the AE in the strong capacitive coupling.

Известна комбинированная «квазикарусельная» антенна (патент на изобретение RU2469448, МПК H01Q19/00, опубл. 10.12.2012 г.), содержащая 4 размещенных по периметру симметричных вибратора (АЭ) с центральным питанием, выполненных из двух квадратно-рамочных элементов с разомкнутыми проводниками в боковых углах и замкнутыми проводниками в верхних и нижних углах. Выполнение квадратно-рамочных АЭ выгнутыми относительно центральной точки окружности квадратно-рамочного полотна влечет за собой увеличение электрического радиуса решетки АЭ, что, в свою очередь, снижает верхнюю границу рабочего диапазона антенны. Выполнение АЭ в виде квадратно-рамочных элементов является диапазонным решением, что также ограничивает рабочую полосу антенны.Known combined "quasicarrier" antenna (patent for invention RU2469448, IPC H01Q19 / 00, published December 10, 2012) containing 4 centrally-mounted symmetrical vibrators (AEs) made of two square-frame elements with open conductors in the lateral corners and closed conductors in the upper and lower corners. The implementation of the square-frame AE curved relative to the center point of the circumference of the square-frame web entails an increase in the electric radius of the AE grating, which, in turn, reduces the upper boundary of the antenna operating range. The implementation of AE in the form of square-frame elements is a range solution, which also limits the working band of the antenna.

Известна антенна с отражателем (патент DE102005003685, МПК H01Q 9/28, опубл. 03.08.2006 г.), работающая в диапазоне от 180 до 600 МГц, принятая за прототип, содержащая, по меньшей мере, один отражатель и, по меньшей мере, один излучатель (антенный элемент), расположенный на некотором расстоянии от отражателя, при этом излучатель дипольный и состоит из двух обращенных друг к другу элементов, представляющих собой сечение трехосного эллипсоида. Таким образом, излучатели синфазные и обладают фиксированным фазовым центром. Наиболее благоприятный режим работы достигается при использовании восьми излучателей. Работа в широкой полосе частот обеспечена не только за счет широкополосного согласования излучателя, но и за счет взаимного размещения АЭ и расстояния между ними (для обеспечения должного электрического радиуса антенной решетки, требуемого для сохранения квазивсенаправленной формы диаграммы направленности (далее ДН)). Недостаток антенны заключается в том, что для достижения наиболее благоприятного режима работы необходимо использовать большое количество излучателей (восемь), что обуславливает снижение эффективности системы (мощность делится на 8 каналов) и относительно большой габаритный размер (согласно с.5 описания оптимальный размер антенной системы из восьми АЭ составляет около 800 мм, т.е. для частоты 180 МГц примерно 0,48 длины волны).A known antenna with a reflector (patent DE102005003685, IPC H01Q 9/28, published 03.08.2006), operating in the range from 180 to 600 MHz, adopted as a prototype, containing at least one reflector and at least one emitter (antenna element) located at a certain distance from the reflector, while the emitter is dipole and consists of two elements facing each other, which are a section of a triaxial ellipsoid. Thus, the emitters are in-phase and have a fixed phase center. The most favorable operating mode is achieved using eight emitters. Work in a wide frequency band is ensured not only due to the broadband matching of the emitter, but also due to the mutual arrangement of the AE and the distance between them (to ensure the proper electric radius of the antenna array, required to maintain the quasi-directional shape of the radiation pattern (hereinafter referred to as the radiation pattern). The disadvantage of the antenna is that in order to achieve the most favorable operating mode, it is necessary to use a large number of emitters (eight), which leads to a decrease in system efficiency (power is divided into 8 channels) and a relatively large overall size (according to clause 5 of the description, the optimal size of the antenna system from eight AE is about 800 mm, i.e. for a frequency of 180 MHz, approximately 0.48 wavelength).

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в обеспечении широкой полосы рабочих частот при сохранении эффективности и малого габаритного размера.The technical result to which the invention is directed is to provide a wide band of operating frequencies while maintaining efficiency and small overall size.

Для достижения указанного технического результата способ построения всенаправленной кольцевой антенной решетки, при котором размещают АЭ с фиксированным фазовым центром таким образом, чтобы расстояние между фазовыми центрами соседних АЭ не превышало половины наименьшей длины волны в рабочем диапазоне и организуют связь между АЭ с обеспечением согласования кольцевой антенной решетки с фидерным трактом на наибольшей длине волны рабочего диапазона, заключается в том, что АЭ выбирают электрически полноразмерным (т.е. величина электрического размера больше 0,5 [2]), а связь между АЭ выполняют гальванической таким образом, что АЭ имеют общий неразрывный геометрический контур излучающей части, электрически удлинены (т.е. электрический размер увеличился) и в них установлен режим бегущей волны.To achieve the specified technical result, a method of constructing an omnidirectional ring antenna array, in which AEs with a fixed phase center are placed so that the distance between the phase centers of adjacent AEs does not exceed half the smallest wavelength in the operating range and organize a connection between AEs with matching ring antenna array with a feeder path at the longest wavelength of the operating range, the AE is electrically electrically full-sized (i.e. size larger than 0.5 [2]), and the connection between the AEs is galvanic in such a way that the AEs have a common inextricable geometric contour of the radiating part, are electrically elongated (ie, the electric size has increased), and the traveling wave mode is established in them.

Указанный технический результат в антенне содержащей АЭ с фиксированными фазовыми центрами, образующие всенаправленную антенную решетку, при этом АЭ запитаны синфазно достигается за счет того, что каждый АЭ электрически соединен с соседним своим окончанием, АЭ выполнены в виде двухзаходных спиральных антенн и расстояние между фазовыми центрами АЭ не более половины наименьшей длины волны в рабочем диапазоне. АЭ могут быть выполнены в виде вогнутого эллипсоида. Для оптимального режима работы количество АЭ выбирается равным трем. Антенна может быть снабжена рефлектором.The specified technical result in an antenna containing AEs with fixed phase centers, forming an omnidirectional antenna array, while the AEs are fed in-phase is achieved due to the fact that each AE is electrically connected to its neighboring end, the AEs are made in the form of double-helical antennas and the distance between the AE phase centers no more than half of the smallest wavelength in the operating range. AE can be made in the form of a concave ellipsoid. For optimal operation, the number of AEs is selected equal to three. The antenna can be equipped with a reflector.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведен общий вид антенны; на фиг.2 – пример конструкции, в состав которой входит антенна; на фиг. 3 – зависимость коэффициента перекрытия кольцевой антенной решетки от количества АЭ; на фиг. 4 – общий вид антенны, АЭ которой выполнены в виде вогнутых эллипсоидов; на фиг. 5 – форма ДН в азимутальной плоскости на частотах 300, 500 и 645 МГц; на фиг. 6 – форма ДН в азимутальной плоскости на частотах 1000, 1100 и 1200 МГц; на фиг.7 – график зависимости КСВ (коэффициента стоячей волны) антенны из изолированных и самонагруженных АЭ. The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a general view of the antenna; figure 2 is an example of a structure comprising an antenna; in FIG. 3 - dependence of the overlap coefficient of the annular antenna array on the number of AEs; in FIG. 4 is a general view of an antenna whose AE is made in the form of concave ellipsoids; in FIG. 5 - shape of the pattern in the azimuthal plane at frequencies of 300, 500 and 645 MHz; in FIG. 6 - the shape of the pattern in the azimuthal plane at frequencies of 1000, 1100 and 1200 MHz; 7 is a graph of the dependence of the SWR (standing wave coefficient) of the antenna from isolated and self-loaded AE.

Антенна представляет собой синфазную эквидистантную кольцевую антенную решетку АЭ 1 с фиксированными фазовыми центрами (см. фиг. 1). Для обеспечения работоспособности антенна также может содержать делитель мощности и фидеры (на фиг. не показаны, фидеры могут быть исключены из конструкции при непосредственном подключении АЭ 1 к делителю мощности), либо антенна может содержать отдельные фидерные тракты (по количеству АЭ 1), которые подключаются к приемнику/передатчику. АЭ 1 запитаны синфазно и каждый АЭ 1 гальванически соединен своим окончанием с соседним. На фиг.1 также обозначена излучающая щель 2 АЭ 1 и микрополосковая линия 3. На фиг. 2 представлен пример конструкции на основе представленной антенны, в которой дополнительно введен диэлектрический каркас 4, металлическое основание 5, металлическая крышка 6, радиопрозрачный кожух 7, металлический корпус 8 и крепление к антенно-мачтовому устройству 9.The antenna is an in-phase equidistant annular antenna array AE 1 with fixed phase centers (see Fig. 1). To ensure operability, the antenna may also contain a power divider and feeders (not shown in Fig., Feeders can be excluded from the design by directly connecting the AE 1 to the power divider), or the antenna may contain separate feeder paths (by the number of AE 1) that are connected to the receiver / transmitter. AE 1 are powered in phase and each AE 1 is galvanically connected by its end to a neighboring one. 1 also shows the radiating slit 2 of the AE 1 and the microstrip line 3. In FIG. 2 shows an example of a design based on the presented antenna, in which a dielectric frame 4, a metal base 5, a metal cover 6, a radio-transparent casing 7, a metal housing 8, and a mount to an antenna mast device 9 are additionally inserted.

В качестве АЭ 1 могут быть использованы магнитные (щелевые) или электрические излучатели с фиксированными фазовыми центрами. В качестве конкретного примера реализации рассматривается антенна, включающая АЭ 1 в виде двухзаходных спиральных антенн (с круговой поляризацией).As AE 1 can be used magnetic (slotted) or electric emitters with fixed phase centers. An antenna including AE 1 in the form of two-way helical antennas (with circular polarization) is considered as a specific implementation example.

Количество и взаимное расположение АЭ 1 определяют широкоплосность антенны в смысле сохранения квазивсенаправленной формы ДН в азимутальной плоскости. Причём широкополосность кольцевой антенной решетки ограничена не только широкоплосностью АЭ 1, а также взаимным удалением фазовых центров АЭ 1. Это обусловлено следующим:The number and relative position of AE 1 determine the broadband antenna in the sense of maintaining the quasidirectional shape of the beam in the azimuthal plane. Moreover, the broadband of the annular antenna array is limited not only by the broadband of AE 1, but also by the mutual removal of the phase centers of AE 1. This is due to the following:

Для сохранения круговой поляризации наибольшая длина волны рабочего диапазона связана с максимальным габаритным размером АЭ 1 следующим соотношением [5]:To maintain circular polarization, the largest wavelength of the operating range is associated with the maximum overall size of AE 1 by the following relation [5]:

Figure 00000001
(1)
Figure 00000001
(1)

где 2а – габаритный размер антенного элемента;where 2A is the overall size of the antenna element;

Figure 00000002
– длина волны, соответствующая нижней рабочей частоте антенны.
Figure 00000002
- the wavelength corresponding to the lower working frequency of the antenna.

Верхнюю рабочую частоту (соответствующую наименьшей длине волны рабочего диапазона) ограничивает то, что с ростом частоты растёт и электрическое расстояние между фазовыми центрами АЭ 1, что в свою очередь вызывает организацию побочных максимумов/минимумов в азимутальной ДН и, следовательно, ухудшению ее равномерности. Согласно [3] расстояние между фазовыми центрами АЭ 1 не должно превышать половины длины волны, т.е. справедливо следующее выражение:The upper working frequency (corresponding to the shortest wavelength of the working range) is limited by the fact that with increasing frequency the electric distance between the phase centers of AE 1 also increases, which in turn causes the organization of side maxima / minima in the azimuthal pattern and, consequently, the deterioration of its uniformity. According to [3], the distance between the phase centers of AE 1 should not exceed half the wavelength, i.e. The following expression is valid:

Figure 00000003
(2)
Figure 00000003
(2)

где R – электрический радиус кольцевой антенной решетки; where R is the electric radius of the annular antenna array;

N – количество АЭ 1;N is the amount of AE 1;

Figure 00000004
– длина волны, соответствующая верхней рабочей частоте антенны.
Figure 00000004
- the wavelength corresponding to the upper working frequency of the antenna.

Из геометрических соображений радиус кольцевой антенной решетки определяется как For geometric reasons, the radius of the ring antenna array is defined as

Figure 00000005
(3)
Figure 00000005
(3)

Соответственно коэффициент перекрытия рабочего диапазона, равный отношению наибольшей частоты диапазона рабочих частот к наименьшей частоте этого же диапазона, определяется следующим выражением:Accordingly, the coefficient of overlap of the operating range, equal to the ratio of the highest frequency of the range of operating frequencies to the lowest frequency of the same range, is determined by the following expression:

Figure 00000006
(4)
Figure 00000006
(4)

где k – коэффициент перекрытия рабочего диапазона частот.where k is the coefficient of overlap of the working frequency range.

Согласно фиг. 3 (пунктирная линия) наибольший коэффициент перекрытия (соответствующий наиболее широкому диапазону рабочих частот антенны) обеспечен при количестве АЭ 1 равным трём. Одновременно при всенаправленной работе эквивалентная излученная в пространство мощность окажется наибольшей при наименьшем количестве АЭ 1. Наибольший коэффициент усиления при сохранении квазивсенаправленной ДН кольцевая антенная решетка будет иметь при наименьшем количестве элементов. Как показывают расчет и натурные эксперименты два АЭ 1 не обеспечивают достаточную равномерность ДН и сохранение круговой поляризации всей кольцевой антенной решетки. Таким образом, наибольший коэффициент усиления при сохранении квазивсенаправленной ДН антенны будет обеспечен при выборе количества АЭ 1 равным трём.According to FIG. 3 (dashed line) the largest overlap coefficient (corresponding to the widest range of operating frequencies of the antenna) is provided when the number of AE 1 is equal to three. At the same time, during omnidirectional operation, the equivalent power radiated into space will turn out to be greatest with the smallest amount of AE 1. The ring gain will have the greatest gain while maintaining the quasi-directional beam pattern with the least number of elements. As shown by the calculation and field experiments, two AE 1 do not provide sufficient uniformity of the pattern and the preservation of circular polarization of the entire annular antenna array. Thus, the highest gain while maintaining the quasi-omnidirectional antenna pattern will be achieved by choosing the number of AE 1 equal to three.

При достижении минимума АЭ 1 их четное или нечетное количество определяет широкополосность по критерию всенаправленности ДН. Форма ДН в азимутальной плоскости может быть определена согласно (5) [4]:When the minimum AE 1 is reached, their even or odd number determines the broadband according to the criterion of omnidirectionality of MD. The shape of the pattern in the azimuthal plane can be determined according to (5) [4]:

F ( φ ) = n = 1 N e i 2 π λ R cos ( φ 2 π n N )

Figure 00000007
(5) F ( φ ) = n = 1 N e i 2 π λ R cos ( φ - 2 π n N )
Figure 00000007
(5)

где F(φ) – ненормированная ДН эквидистантной кольцевой антенной решетки по азимутальному углу φ;where F (φ) is the unnormalized pattern of the equidistant annular antenna array along the azimuthal angle φ;

n = 1, …, N – порядковый номер АЭ;n = 1, ..., N is the serial number of the AE;

λ – рабочая длина волны.λ is the working wavelength.

Вычисленные значения коэффициента перекрытия (нижняя граница рабочего диапазона выбрана согласно (1), верхняя из условия сохранения равномерности (неравномерность не более 3 дБ) ДН, определенной (5)) приведены на фиг. 3 сплошной линией.The calculated values of the overlap coefficient (the lower boundary of the operating range is selected according to (1), the upper one from the condition for maintaining uniformity (unevenness of not more than 3 dB) of the DN determined (5)) is shown in FIG. 3 solid line.

Анализ фиг. 3 (сплошная линия) показывает, что наибольший коэффициент перекрытия соответствует нечетному количеству АЭ 1 (поскольку при четном количестве АЭ 1 и их эквидистантном размещении в кольцевой антенной решетке количество противофазных векторов напряженности поля одинаково и они компенсируют друг друга, для нечетного же количества АЭ 1 остается некомпенсированный вектор напряженности поля).The analysis of FIG. 3 (solid line) shows that the largest overlap coefficient corresponds to an odd number of AE 1 (since with an even number of AE 1 and their equidistant placement in the annular array, the number of antiphase field strength vectors is the same and they cancel each other out, for an odd number of AE 1 remains uncompensated field strength vector).

На основании вышеизложенного количество АЭ 1 должно быть минимальным и нечетным для обеспечения наибольшей широкополосности при сохранении квазивсенаправленной формы ДН антенны, что подтверждается проведенными исследованиями, результаты которых приведены на фиг. 5, 6.Based on the foregoing, the number of AE 1 should be minimal and odd to ensure the greatest broadband while maintaining the quasi-directional shape of the antenna beam, which is confirmed by the studies, the results of which are shown in FIG. 5, 6.

Каждый АЭ 1 является самонагруженным, т.е. своим окончанием связан гальванически с соседним АЭ 1, что обеспечивает не только электрическое удлинение АЭ 1, но и режим бегущей волны в элементе для низкочастотной области рабочего диапазона частот, что в свою очередь расширяет нижнюю границу последнего. Это позволяет уменьшить габаритный размер АЭ 1, уменьшить электрический радиус решетки, и тем самым увеличить верхнюю частоту рабочего диапазона антенны.Each AE 1 is self-loaded, i.e. its end is galvanically connected to the neighboring AE 1, which provides not only the electrical extension of AE 1, but also the traveling wave mode in the element for the low-frequency region of the working frequency range, which in turn extends the lower boundary of the latter. This allows you to reduce the overall size of the AE 1, to reduce the electric radius of the grating, and thereby increase the upper frequency of the operating range of the antenna.

Диэлектрический каркас 4 служит для обеспечения жесткости конструкции. Металлическая крышка 6 и металлическое основание 5 используются для экранирования сигнала, отраженного от подстилающей поверхности и других близ расположенных металлических конструкций. Радиопрозрачный кожух 7 служит для защиты от воздействующих факторов окружающей среды. В металлическом корпусе 8 может быть размещен делитель мощности или фидерные тракты. Крепление к антенно-мачтовому устройству 9 позволяет установить антенну на объекте.The dielectric frame 4 is used to provide structural rigidity. The metal cover 6 and the metal base 5 are used to shield the signal reflected from the underlying surface and other nearby metal structures. Radio-transparent casing 7 is used to protect against environmental factors. A power divider or feeder paths can be placed in the metal housing 8. Mounting to the antenna mast device 9 allows you to install the antenna on the object.

На фиг.7 сплошной линией изображен график зависимости КСВ решетки самонагруженных АЭ от частоты, линией с точками изображен график зависимости КСВ решетки изолированных АЭ от частоты. Согласно опытным данным и анализа фиг.7 примененный в изобретении, принцип самонагружения АЭ 1 позволяет расширить рабочий диапазон в область низких частот примерно в 1,2 раза. In Fig. 7, the solid line shows a graph of the dependence of the SWR of a lattice of self-loaded AEs on frequency, the line with dots shows a graph of the dependence of the SWR of an array of isolated AEs on frequency. According to the experimental data and analysis of Fig. 7 applied in the invention, the principle of self-loading of AE 1 allows you to expand the operating range in the low frequency region by about 1.2 times.

Для большего сближения фазовых центров и увеличения верхней частоты рабочего диапазона, форму АЭ 1 выбирают вогнутой (например, в виде эллипсоида) (см. фиг. 4).To bring the phase centers closer together and increase the upper frequency of the operating range, the AE 1 shape is chosen concave (for example, in the form of an ellipsoid) (see Fig. 4).

Для повышения коэффициента усиления в состав антенны может входить рефлектор (размещенный в центре кольцевой антенной решетки).To increase the gain, the antenna may include a reflector (located in the center of the annular antenna array).

Антенна работает следующим образом. The antenna works as follows.

В качестве примера будет рассмотрена антенна, содержащая делитель мощности и фидеры. Синфазное доведение сигнала от передатчика до АЭ 1 обеспечено делителем мощности и фидерами. Количество фидеров и выходов делителя мощности соответствует количеству АЭ 1. Делитель мощности разделяет сигнал от передатчика и через фидеры разделенные равноамплитудные и синфазные сигналы поступают к АЭ. Принцип работы АЭ 1 основан на построении его как квазисамодополнительной двухзаходной спиральной щелевой антенны с фидерным устройством в виде микрополосковой линии 3 переменной ширины. Каждый АЭ 1 имеет гальваническую связь с соседним АЭ 1 (за счет общего непрерывного контура излучающей щели 2), что обеспечивает не только электрическое удлинение АЭ 1, но и режим бегущей волны в элементе для низкочастотной области рабочего диапазона частот. При подаче сигнала на вход АЭ 1 микрополосковые линии 3 возбуждают излучающие щели 2 АЭ 1. При этом формируется квазивсенаправленная ДН, определяемая равноамплитудным и синфазным распределением сигнала, эквидистантным размещением АЭ 1 и выбором их количества.As an example, an antenna comprising a power divider and feeders will be considered. In-phase signal conditioning from the transmitter to AE 1 is provided by a power divider and feeders. The number of feeders and outputs of the power divider corresponds to the number of AE 1. The power divider separates the signal from the transmitter and through the feeders the separated equal-amplitude and common-mode signals are sent to the AE. The principle of operation of AE 1 is based on constructing it as a quasi-self-complementary two-way helical slot antenna with a feeder device in the form of a microstrip line 3 of variable width. Each AE 1 has a galvanic connection with the neighboring AE 1 (due to the common continuous contour of the radiating slit 2), which provides not only the electrical extension of the AE 1, but also the traveling wave mode in the element for the low-frequency region of the operating frequency range. When a signal is applied to the input of AE 1, the microstrip lines 3 excite the radiating slots 2 of AE 1. In this case, a quasi-directional beam pattern is formed, which is determined by the equal-amplitude and common-mode distribution of the signal, the equidistant placement of AE 1 and the choice of their number.

На основе предложенного решения был изготовлен опытный образец с плоскими квадратными АЭ 1 печатного исполнения с размером стороны 270 мм (0,27 наибольшей длины волны рабочего диапазона), обеспечивающий работу в диапазоне от 300 до 1100 МГц (см. фиг. 5,6,7). Based on the proposed solution, a prototype with a flat square AE 1 of a printed version with a side size of 270 mm (0.27 of the longest wavelength of the operating range) was manufactured, providing operation in the range from 300 to 1100 MHz (see Fig. 5,6,7 )

Способ построения всенаправленной кольцевой антенной решетки осуществляется следующим образом.The method of constructing an omnidirectional ring antenna array is as follows.

На первом этапе выбирают тип АЭ 1 с фиксированным фазовым центром. В качестве АЭ 1 могут быть использованы как магнитные, так и электрические излучатели, как дипольные, так и спиральные или иные. Выбор типа АЭ 1 производят исходя из его собственной направленности, коэффициента усиления и для обеспечения квазивсенаправленной формы ДН решетки. АЭ 1 выбирают электрически полноразмерным (2πa/λ>0.5 ([1] c.476])) для сохранения высокого КПД и круговой поляризации в области низких частот рабочего диапазона.At the first stage, type AE 1 with a fixed phase center is selected. As AE 1 can be used both magnetic and electric emitters, as dipole, and spiral or other. The choice of type AE 1 is made on the basis of its own directivity, gain, and to provide a quasidirectional shape of the grating pattern. AE 1 is selected electrically full-size (2πa / λ> 0.5 ([1] p. 476]) to maintain high efficiency and circular polarization in the low-frequency range of the operating range.

Для обеспечения квазивсенаправленная формы ДН антенны в азимутальной плоскости АЭ 1 размещают таким образом, чтобы расстояние между фазовыми центрами не превышало половины длины волны в рабочем диапазоне (и, соответственно, электрический радиус решетки удовлетворял выражению (3)).To ensure a quasidirectional shape of the antenna beam in the azimuthal plane of AE 1 is placed so that the distance between the phase centers does not exceed half the wavelength in the operating range (and, accordingly, the electric radius of the grating satisfies expression (3)).

Количество АЭ 1 выбирают минимальным и определяют исходя из необходимого коэффициента усиления антенны (для обеспечения наибольшего КПД и в зависимости от типа АЭ 1). Для увеличения верхней частоты рабочего диапазона количество АЭ 1 выбирают нечетным.The number of AE 1 is chosen to be minimal and determined based on the required antenna gain (to ensure the highest efficiency and depending on the type of AE 1). To increase the upper frequency of the operating range, the number of AE 1 is chosen odd.

Выполняют гальваническую связь между каждыми соседними АЭ 1, так, что АЭ 1 имеют общий неразрывный геометрический контур излучающей части, что обеспечивает электрическое удлинение АЭ 1 и режим бегущей волны, что, в свою очередь, расширяет нижнюю границу рабочего диапазона частот при сохранении эффективности. A galvanic connection is made between each neighboring AE 1, so that AE 1 have a common inextricable geometric contour of the radiating part, which ensures electrical extension of AE 1 and the traveling wave mode, which, in turn, extends the lower boundary of the operating frequency range while maintaining efficiency.

Для уменьшения электрического радиуса решетки и соответствующего дополнительного расширения верхней границы рабочего диапазона частот форму АЭ 1 выбирают вогнутой (например, в виде эллипсоида (см. фиг.4)).To reduce the electric radius of the grating and the corresponding additional expansion of the upper boundary of the operating frequency range, the shape of AE 1 is chosen concave (for example, in the form of an ellipsoid (see Fig. 4)).

Далее каждый АЭ 1 подключают к источнику/приемнику энергии (например, к передатчику/приемнику), например, при помощи делителя мощности с фидерами или при помощи отдельных фидерных трактов и осуществляют прием/передачу сигналов.Next, each AE 1 is connected to a source / receiver of energy (for example, to a transmitter / receiver), for example, using a power divider with feeders or using separate feeder paths and transmit / receive signals.

Таким образом, представленный способ построения всенаправленной кольцевой антенной решетки и построенная на его принципе антенна позволяют обеспечить широкую полосу рабочих частот при сохранении эффективности и малого габаритного размера.Thus, the presented method of constructing an omnidirectional annular antenna array and an antenna built on its principle make it possible to provide a wide band of operating frequencies while maintaining efficiency and a small overall size.

Источники информации:Sources of information:

1. Constantine A. Balanis Modern antenna handbook. – Published by John Wiley & Sons, Inc., 2008 г.1. Constantine A. Balanis Modern antenna handbook. - Published by John Wiley & Sons, Inc., 2008.

2. «Handbook of antenna technologies» Published by Zhi Ning Chen – Springer reference 2016-3473p. с. 198, 201.2. “Handbook of antenna technologies” Published by Zhi Ning Chen - Springer reference 2016-3473p. from. 198, 201.

3. Кочержевский Г.Н., Ерохин Г.А., Козырев Н.Д. Антенно-фидерные устройства: учебник для вузов. – М.: Радио и связь, 1989 г.3. Kocherzhevsky G.N., Erokhin G.A., Kozyrev N.D. Antenna-feeder devices: a textbook for universities. - M .: Radio and communications, 1989.

4. Коротковолновые антенны. Айзенберг Г.З., Белоусов С.П., Журбенко Э.М., Клитер Г.А., Курамов А.Г. Под редакцией Г.З.Айзенберга – 2-е, перераб. И доп. – М.: Радио и связь, 1985 г.4. Shortwave antennas. Aizenberg G.Z., Belousov S.P., Zhurbenko E.M., Cliter G.A., Kuramov A.G. Edited by G.Z.Aisenberg - 2nd, revised. And add. - M .: Radio and communications, 1985

5. Юрцев О.А., Рунов А.В., Казарин А.Н. Спиральные антенны. – М.: Сов. Радио, 1974 г.5. Yurtsev O.A., Runov A.V., Kazarin A.N. Spiral antennas. - M .: Owls. Radio, 1974

Claims (5)

1. Способ построения всенаправленной кольцевой антенной решетки, при котором размещают антенные элементы с фиксированным фазовым центром таким образом, чтобы расстояние между фазовыми центрами соседних антенных элементов не превышало половины наименьшей длины волны в рабочем диапазоне и организуют связь между антенными элементами с обеспечением согласования кольцевой антенной решетки с фидерным трактом на наибольшей длине волны рабочего диапазона, отличающийся тем, что антенный элемент выбирают электрически полноразмерным, а связь между антенными элементами выполняют гальванической таким образом, что антенные элементы имеют общий неразрывный геометрический контур излучающей части, электрически удлинены и в них установлен режим бегущей волны.1. A method of constructing an omnidirectional ring antenna array, in which antenna elements with a fixed phase center are placed so that the distance between the phase centers of adjacent antenna elements does not exceed half the smallest wavelength in the operating range and organize communication between antenna elements with matching ring antenna array with a feeder path at the longest wavelength of the operating range, characterized in that the antenna element is electrically selected full-size, and the connection between the antenna elements is galvanic in such a way that the antenna elements have a common inextricable geometric contour of the radiating part, are electrically elongated and the traveling wave mode is set in them. 2. Антенна, содержащая совокупность антенных элементов с фиксированными фазовыми центрами, образующих всенаправленную антенную решетку, при этом антенные элементы запитаны синфазно, отличающаяся тем, что каждый антенный элемент гальванически соединен с соседним своим окончанием, антенные элементы выполнены в виде двухзаходных спиральных антенн, а расстояние между фазовыми центрами антенных элементов составляет не более половины наименьшей длины волны в рабочем диапазоне.2. An antenna containing a set of antenna elements with fixed phase centers forming an omnidirectional antenna array, while the antenna elements are fed in-phase, characterized in that each antenna element is galvanically connected to its adjacent end, the antenna elements are made in the form of two-way spiral antennas, and the distance between the phase centers of the antenna elements is not more than half the smallest wavelength in the operating range. 3. Антенна по п.2, отличающаяся тем, что антенные элементы выполнены в виде вогнутого эллипсоида.3. The antenna according to claim 2, characterized in that the antenna elements are made in the form of a concave ellipsoid. 4. Антенна по п.2 или 3, отличающаяся тем, что количество антенных элементов равно трем.4. The antenna according to claim 2 or 3, characterized in that the number of antenna elements is three. 5. Антенна по одному из пп. 2, 3 или 4, отличающаяся тем, что снабжена рефлектором.5. The antenna according to one of paragraphs. 2, 3 or 4, characterized in that it is equipped with a reflector.
RU2019122874A 2019-07-19 2019-07-19 Method of constructing an omnidirectional annular antenna array and an antenna that implements it RU2713163C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019122874A RU2713163C1 (en) 2019-07-19 2019-07-19 Method of constructing an omnidirectional annular antenna array and an antenna that implements it

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019122874A RU2713163C1 (en) 2019-07-19 2019-07-19 Method of constructing an omnidirectional annular antenna array and an antenna that implements it

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2713163C1 true RU2713163C1 (en) 2020-02-04

Family

ID=69625266

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019122874A RU2713163C1 (en) 2019-07-19 2019-07-19 Method of constructing an omnidirectional annular antenna array and an antenna that implements it

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2713163C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2772933C2 (en) * 2020-10-28 2022-05-27 Федеральное государственное унитарное предприятие Ордена Трудового Красного Знамени Российский научно-исследовательский институт радио имени М.И. Кривошеева (ФГУП НИИР) Ground-based all-round antenna and method for implementing a multifunctional heating facility

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2206159C2 (en) * 2001-04-11 2003-06-10 Самарский отраслевой научно-исследовательский институт радио Omnidirectional antenna array
RU115569U1 (en) * 2011-10-21 2012-04-27 Открытое акционерное общество "Концерн "Созвездие" ULTRA-BAND RADIATING ELEMENT WITH COAXIAL INPUT AND ANTENNA ARRAY CONTAINING SUCH RADIATING ELEMENT
US9024831B2 (en) * 2011-05-26 2015-05-05 Wang-Electro-Opto Corporation Miniaturized ultra-wideband multifunction antenna via multi-mode traveling-waves (TW)
RU2587495C2 (en) * 2014-05-23 2016-06-20 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие Ордена Трудового Красного Знамени Научно-Исследовательский Институт Радио (Фгуп Ниир) Method of transmitting signals through omnidirectional circular log periodic vertically polarised antenna array and antenna array therefor

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2206159C2 (en) * 2001-04-11 2003-06-10 Самарский отраслевой научно-исследовательский институт радио Omnidirectional antenna array
US9024831B2 (en) * 2011-05-26 2015-05-05 Wang-Electro-Opto Corporation Miniaturized ultra-wideband multifunction antenna via multi-mode traveling-waves (TW)
RU115569U1 (en) * 2011-10-21 2012-04-27 Открытое акционерное общество "Концерн "Созвездие" ULTRA-BAND RADIATING ELEMENT WITH COAXIAL INPUT AND ANTENNA ARRAY CONTAINING SUCH RADIATING ELEMENT
RU2587495C2 (en) * 2014-05-23 2016-06-20 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие Ордена Трудового Красного Знамени Научно-Исследовательский Институт Радио (Фгуп Ниир) Method of transmitting signals through omnidirectional circular log periodic vertically polarised antenna array and antenna array therefor

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2772933C2 (en) * 2020-10-28 2022-05-27 Федеральное государственное унитарное предприятие Ордена Трудового Красного Знамени Российский научно-исследовательский институт радио имени М.И. Кривошеева (ФГУП НИИР) Ground-based all-round antenna and method for implementing a multifunctional heating facility

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7283102B2 (en) Radial constrained lens
US11894624B2 (en) Slotted patch antenna
US20100328173A1 (en) Single feed planar dual-polarization multi-loop element antenna
US10135156B2 (en) Multi-mode composite antenna
US20150155636A1 (en) Dual antenna system
KR20120086841A (en) Base station antenna structure having multi-band dipole element array improved in isolation-characteristics
CN111052507B (en) Antenna and wireless device
KR101803208B1 (en) Beamfoaming anttena using single radiator multi port
US20140191914A1 (en) Multi-channel antenna device
Alieldin et al. A reconfigurable broadband dual-mode dual-polarized antenna for sectorial/omnidirectional mobile base stations
RU2713163C1 (en) Method of constructing an omnidirectional annular antenna array and an antenna that implements it
Ta et al. A cavity-backed angled-dipole antenna array for low millimeter-wave bands
US9590311B2 (en) Antenna system with reduced multipath reception
JP2005117493A (en) Frequency sharing nondirectional antenna and array antenna
US6930647B2 (en) Semicircular radial antenna
JPH05299925A (en) Mobile body antenna system
CN108417984B (en) Balanced dipole unit and broadband omnidirectional collinear array antenna
JP3304019B2 (en) ARRAY ANTENNA, RECEIVER HAVING THE SAME, AND METHOD OF DETERMINING DIRECTIVITY CHARACTERISTICS IN ARRAY ANTENNA
Jessintha et al. Design of Optimized low-power GPS-Yagi Antenna using Machine Learning techniques
JPH11330848A (en) Base station antenna device
US5877729A (en) Wide-beam high gain base station communications antenna
US9859622B2 (en) Array antenna
KR102158981B1 (en) Antenna with a symmetrical Feeder Circuit for Improving Antenna Pattern
CN217334388U (en) Broadband low-standing-wave antenna and antenna area array device
Penkovskaya et al. Cophased Subarray of Multibeam Array Based on Printed Dipole Antennas