ДУПЛЕКСНАЯ АНТЕННА

ДУПЛЕКСНАЯ АНТЕННА


RU (11) 2100878 (13) C1

(51) 6 H01Q5/00 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.01.2008 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 95120234/09 
(22) Дата подачи заявки: 1995.11.28 
(45) Опубликовано: 1997.12.27 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: 1. US, патент, 3803617, кл. H 01 Q 1/00, 1974. 2. US, патент, 3742510, кл. H 01 Q 1/00, 1973. 
(71) Заявитель(и): Военная академия связи 
(72) Автор(ы): Жиряков В.Д.; Кузнецов В.И.; Кочкин В.Б.; Авдеева С.В.; Шелонин В.С.; Чернолес В.П. 
(73) Патентообладатель(и): Военная академия связи 

(54) ДУПЛЕКСНАЯ АНТЕННА 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве УКВ приемо-передающей диапазонной антенны в системах ретрансляции. Цель: построение дуплексной антенны, обеспечивающей одновременную и независимую работу двух каналов на одной частоте и поляризации. Антенна состоит из металлического экрана 1, на котором установлены четыре вибратора первого канала 2, запитанные с прогрессивным 90o фазовым сдвигом, и в центре экрана - излучателя 4 второго канала. Вибраторы представляют собой излучатели магнитного типа. Противоположные вибраторы первого канала установлены зеркально относительно друг друга. Приведены соотношения конструктивных элементов и примеры реализации вибраторов. 4 з. п. ф-лы, 10 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антенной технике, и, в частности, дуплексная антенна может быть использована в качестве приемо-передающей ненаправленной в азимутальной плоскости антенны в системах ретрансляции.

Известны слабонаправленные в азимутальной плоскости дуплексные антенны (пат. США N 3594809, 1971). Антенна состоит из двух ортогональных рамок, расположенных на противоположных сторонах экрана. Каждая рамка подключена к отдельному тракту питания. Развязка каналов достигается поляризационным разносом и дополнительно за счет металлического экрана.

Известна также дуплексная антенна (пат. США N 3725943, 1973), в которой развязка достигается за счет ортогонального размещения излучателей и дополнительно за счет поляризационной и частотной развязки.

Недостатком аналога является малая степень развязки каналов при работе на одной частоте и возможность дуплексной работы только при разных поляризациях трактов.

Наиболее близкой по своей технической сущности к предлагаемой является дуплексная антенна (пат. США N 3742510, 1973), которая состоит из четырех вибраторов, расположенных взаимно ортогонально и установленных под небольшим углом относительно плоскости металлического экрана. Вибраторы запитаны с 90o фазовым сдвигом и подключены к тракту питания первого канала. Дополнительно в антенне предусмотрена возможность подключения всех вибраторов синфазно к тракту питания второго канала.

Благодаря такой схеме при работе первого канала в направлении нормали от экрана формируется кругополяризованное поле излучения. В направлениях, примыкающих к плоскости экрана, поле вырождается в линейное. В остальных направлениях поле имеет эллиптическую поляризацию. Амплитудная диаграмма направленности (ДН) суммарного поля имеет максимум в направлении нормали от экрана. Азимутальная диаграмма ненаправленная.

При работе второго канала вибраторы возбуждают синфазно и они совместно с металлическим экраном образуют дискоконусную антенну. Поле излучения такой антенны имеет линейную вертикальную поляризацию. Максимум ДН ориентирован в направлении параллельном плоскости экрана.

Недостатками прототипа являются

различные энергетические параметры каналов при их работе с одним, произвольно ориентированным в пространстве корреспондентом, что объясняется различием амплитудных ДН каналов;

антенна не обеспечивает дуплексную работу двух каналов на одной частоте в силу невысокого уровня их развязки;

антенна не обеспечивает дуплексную работу двух каналов на одной поляризации, так как поляризационные структуры излучаемых полей вибраторами первого и второго каналов отличаются друг от друга;

антенна-прототип имеет относительно малую полосу рабочих частот с приемлемым качеством согласования.

Целью изобретения является разработка дуплексной антенны, обеспечивающей широкополосную одновременную и независимую работу первого и второго каналов на одной частоте и одной поляризацией с более высокой степенью развязки.

Цель достигается тем, что в известной дуплексной антенне, включающей четыре идентичных вибратора, возбуждаемых с прогрессивным 90o фазовым сдвигом, установленных над металлическим экраном и подключенных к тракту питания первого канала, вибраторы выполнены в виде излучателей магнитного типа. Под излучателем магнитного типа понимают любой излучатель, который в малогабаритном исполнении (т.е. когда его наибольший линейный размер много меньше длины рабочей волны) имеет индуктивный характер реактивной составляющей входного сопротивления. При этом некомпенсированная часть энергии ближнего реактивного поля излучателя сосредоточена в магнитном поле. Отсюда и название излучатель магнитного типа. Физической моделью магнитного диполя является малогабаритная рамка (Кочержевский Г. Н. Антенно-фидерные устройства. М. Радио и связь, 1981, с. 12). К излучателям магнитного типа относятся все виды петлевых, шунтовых, щелевых, рамочных и т.п. излучателей. Вибраторы установлены вертикально над металлическим экраном, симметрично относительно его центра на двух взаимно перпендикулярных диаметрах. Вибраторы, расположенные на одном диаметре, установлены зеркально друг относительно друга и разнесены на расстояние, составляющее 0,4 0,5 от минимальной длины волны рабочего диапазона волн min. В центре экрана установлен дополнительный вибратор магнитного типа, подключенный к тракту питания второго канала и выполненный симметричным в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, которые совмещены с диаметрами металлического экрана, на которых установлены четыре вибратора первого канала. Точки подключения первого и второго трактов питания к соответствующим вибраторам разнесены по вертикали на расстояние, составляющее не менее четверти высоты вибраторов, подключенных к тракту первого канала питания.

Вибраторы, подключенные к первому и второму трактам питания, могут быть установлены либо на одной стороне металлического экрана, либо на противоположных.

В частном случае вибраторы, подключенные к первому тракту питания, могут быть выполнены в виде петлевых вибраторов.

Указанная новая совокупность существенных признаков обеспечивает возможность широкополосной работы антенны в дуплексном режиме на одной частоте и одной поляризации первого и второго каналов. В азимутальной плоскости оба канала имеют одинаковые амплитудные характеристики излучения (ненаправленные) и одинаковые поляризационные структуры (линейные вертикальные), чем достигаются одинаковые энергетические условия работы двух каналов с одним неориентированным в пространстве корреспондентом. Требуемая развязка каналов в таких условиях работы достигается применением излучателей магнитного типа, выбором условий их взаимного размещения и возбуждения.

На фиг. 1 представлена антенна при расположении излучателей первого и второго каналов на противоположных сторонах экрана; на фиг. 2 и 3 варианты построения излучателей первого и второго каналов соответственно; на фиг. 4 - вариант построения тракта питания первого канала; на фиг. 5 антенна при установке излучателей первого и второго каналов на одной стороне экрана; на фиг. 6 вариант построения излучателя второго канала; на фиг. 7 эскизы макетов предлагаемой антенны; на фиг. 8 10 результаты экспериментальных исследований.

Предлагаемое устройство, показанное на фиг. 1, состоит из металлического экрана 1, который для удобства размещения трактов питания может быть выполнен в виде полого цилиндра высотой k. На взаимно перпендикулярных диаметрах экрана 1 симметрично относительно его центра установлены четыре излучателя магнитного типа 2, которые в частном случае могут быть выполнены в виде петлевых вибраторов высотой h каждый. Каждый из вибраторов 2 с помощью коаксиального фидера 3 подключен к тракту питания первого канала. Вибраторы 2, установленные на одном диаметре экрана 1, ориентированы зеркально друг к другу и разнесены на расстояние D (0,4 0,5) min. В центре экрана установлен также излучатель магнитного типа 4, который с помощью коаксиального фидера 5 подключен к тракту питания второго канала. На фиг. 1 излучатель 4 установлен на обратной стороне экрана 1 по отношению к излучателям 2. При таком размещении обеспечивается разнос по вертикали точек питания вибраторов первого и второго каналов на расстояние k, которое должно быть не менее 0,25 h. Конструкция излучателя 4 в двух взаимно перпендикулярных вертикальных плоскостях симметрична, и эти плоскости симметрии совмещены с диагоналями экрана, на которых установлены излучатели 2 первого канала.

На фиг. 2 и 3 показаны возможные конструкции излучателей для первого канала (фиг. 2) и второго канала (фиг. 3). Подробное описание и правила выбора размеров конструкции излучателя, показанного на фиг. 2, известны (Широкополосные УКВ вибраторы. Сб. Радиотехника и связь. СПб, НТОРЭС им. А. С. Попова, 1992, с. 81, 82, рис. 2).

Помимо удобства питания таких излучателей, путем выбора соотношений элементов их конструкций H, b, a, d (фиг. 2) можно обеспечить работу антенны в широком диапазоне частот с высоким качеством согласования (КБВ0,4). Аналогично выбором геометрии излучателя 4 (фиг. 3) H, d, можно минимизировать его размеры при одновременном достижении требуемой диапазонности по согласованию. Причем в такой конструкции легко реализуется требование по обеспечению ее симметрии в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Правила выбора размеров элементов конструкции излучателя 4 описаны в книге Айзенберг Г. З. и др. Антенны УКВ. Часть I. М. Связь, 1977, с. 180 - 187.

Излучатель, показанный на фиг. 2, представляет собой петлевой вибратор, в котором для обеспечения требуемой диапазонности к одному плечу трубчатого проводника подключена металлическая пластина. Излучатель, показанный на фиг. 3, представляет собой металлический конус, обращенный вершиной, к которой подключен центральный проводник фидера к экрану. По периметру основания конуса в точках, лежащих на двух взаимно перпендикулярных диаметрах, подключены вертикальные проводники (шунты), нижними концами замкнутые на экран.

На фиг. 4 показан вариант построения системы питания излучателей 2 первого канала. Излучатели, установленные на одном диаметре, т.е. в точках а - б или а' б' (фиг. 4, а, б) запитывают следующим образом. Фидер к излучателю, установленному в точке "б" ("б'"), подключен экранной оболочкой к его проводнику, а центральный проводник фидера к экрану. В излучателе, установленном в точке "а" ("а'"), центральный проводник фидера подключен непосредственно к проводнику излучателя, а экранная оболочка фидера к металлическому экрану 1 (фиг. 4, б). При таком включении достигается противофазное питание излучателей в каждой паре. Для достижения равноамплитудного деления подводимой мощности и достижения 90o сдвига фаз в точках с с' в тракт питания включен блок согласующе-фазирующего устройства. Схема блока, показанная на фиг. 4, в, включает 3-дБ делитель мощности и фазовращатель на 90o. Принципы построения этих элементов общеизвестны (Справочник по элементам полосковой техники. /Под ред. Фельдштейна А.Л. М. Связь, 1973). На фиг. 4 показаны также примеры выбора параметров фидера (волнового сопротивления r ) на различных участках схемы питания, при которых достигается требуемое качество согласования.

На фиг. 5 показан вариант размещения излучателей обоих каналов на одной стороне экрана. В этом варианте для обеспечения необходимого условия разноса точек питания излучателей первого и второго каналов на расстояние к 0,25 h излучатель 5 второго канала, устанавливаемый в центре, может быть выполнен по схеме, показанной на фиг. 6. Излучатель является осесимметричным вибратором магнитного типа. При заданном диапазоне частот требуемое качество согласования такого излучателя определяется соответствующим выбором его геометрических размеров d1, d2, d3, l1, l2, l3, l4.

Теоретическое обоснование зависимости соотношений указанных размеров на параметры излучателя данного типа изложены в книге Антенны. Часть I. /Под ред. Муравьева Ю. К. Л. ВАС, с.259 271, а практические конструкции антенн такого типа описаны в книге Гвоздев И. Н. Муравьев Ю. К. и др. Характеристики антенн радиосистем связи. Л. ВАС, 1978, с. 186 190.

Предлагаемая дуплексная антенна работает следующим образом.

При установке четырех излучателей первого канала вертикально относительно экрана и возбуждении их с 90o фазовым сдвигом обеспечивается формирование ненаправленной в азимутальной плоскости амплитудной диаграммы с вертикально поляризованным полем. В силу симметрии системы, в центре экрана поле, наведенное от каждого из четырех вибраторов, взаимно компенсируется. Следовательно, и на вибраторе, установленном в центре экрана, токи, наводимые полями четверки вибраторов, будут взаимно компенсироваться. Эти условия будут выполнены в случае симметрии центрального вибратора относительно четверки периферийных и строгой противофазности полей от противолежащей пары вибраторов первого канала. Последнее выполняется автоматически за счет зеркальной установки каждой пары петлевых вибраторов первого канала и способа их возбуждения, описанного выше.

Для снижения паразитных наводок полей вибраторов первого канала на центральный вибратор второго канала из-за возможного несоблюдения строгой симметрии конструкции их фазовые центры (точки возбуждения) разнесены по вертикали на величину не менее 0,25 от высоты вибраторов первого канала.

Ненаправленное излучение в азимутальной плоскости вибраторов первого канала будет обеспечиваться во всем рабочем диапазоне только в случае, если расстояние между противолежащими вибраторами не превышает 0,5 min. В противном случае ДН будет приобретать интерференционный характер. В тоже время при уменьшении разноса вибраторов снижается степень развязки каналов. Поэтому разнос (0,4 0,5) min следует считать оптимальным. Дополнительно увеличение степени развязки следует ожидать благодаря тому, что при высоких значениях КБВ (что легко достигается в излучателях магнитного типа) обеспечивается фильтрация паразитных внеполосных излучений. Указанные свойства излучателей магнитного типа в совокупности с другими признаками предлагаемого устройства и обуславливают дуплексную работу антенны на одной поляризации и частоте с возможностью ее использования в значительном частотном интервале.

Теоретические предпосылки проверены в ходе экспериментальных сравнительных измерений предлагаемой антенны и прототипа.

Исследования включали измерение степени развязки трактов дуплексной антенны, качества согласования (КБВ) и диаграмм направленности.

Измерения проводились для двух вариантов исполнения антенны: с двухсторонним расположением излучателей первого и второго трактов на экране (вариант 1 на фиг. 7) и с односторонним расположением (вариант 2 на фиг. 7).

Кроме того, измерения выполнялись на макете антенны прототипа (вариант 3 фиг. 7).

На фиг. 7 показаны основные конструктивные размеры макетов исследуемых излучателей. Система питания четверки излучателей устанавливалась в полости экрана, выполненного в виде полого цилиндра высотой 250 мм. Измерения проводились в частотном диапазоне 300 600 МГц. С помощью измерителя комплексных коэффициентов передачи РЧ-11 измерялось переходное затухание между излучателями первого и второго каналов. Качество согласования оценивалось по величине КБВ, измеряемого также прибором РЧ-11, путем подключения к нему антенны кабелем РК-50 длиной 3 м. Измерение ДН проводилось в плоскостях E и H путем установки антенны на вращающейся платформе на высоте 5 м. Приемная антенна размещалась также на высоте 5 м на удалении 20 м от исследуемой.

Результаты измерений ДН, развязки В и КБВ показаны соответственно на фиг. 8 10. Цифрами 1, 2 и 3 отмечены результаты измерений соответственно для 1, 2 и 3-го вариантов макета. На фиг. 8 ДН, показанные сплошной линией, соответствуют излучателю второго тракта, пунктир четверке излучателей первого тракта.

Из полученных результатов следует, что предлагаемая антенна имеет выигрыш по развязке по сравнению с прототипов на 20 30 дБ при установке излучателей на противоположных сторонах экрана и на 8 15 дБ при установке на одной стороне экрана.

Согласование обеспечивается во всем диапазоне на уровне не хуже КБВ - 0,6. ДН в плоскостях E и H для двух трактов практически одинаковы.

Полученные результаты подтверждают возможность дуплексной работы антенны на одной частоте и с одинаковой поляризацией двух трактов при одновременном достижении требуемой развязки трактов и качества согласования в широком диапазоне частот. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



1. Дуплексная антенна, включающая четыре вибратора, возбуждаемых с 90o фазовым сдвигом, установленных над металлическим экраном и подключенных к тракту питания первого канала, отличающаяся тем, что вибраторы выполнены в виде излучателей магнитного типа и установлены вертиклаьно над металлическим экраном, симметрично относительно его центра на двух взаимно перпендикулярных диаметрах, вибраторы, расположенные на одном диаметре, установлены зеркально друг относительно друга и разнесены на расстояние, составляющее 0,4 0,5 минимальной длины волны рабочего диапазона волн, в центре экрана установлен дополнительный вибратор магнитного типа, подключенный к тракту питания второго канала и выполненный симметричным в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, которые совмещены с диаметрами металлического экрана, на которых установлены четыре вибратора первого канала, причем точки подключения первого и второго трактов питания к соответствующим вибраторам разнесены по вертикали.

2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что четверка вибраторов, подключенных к тракту питания первого канала, и вибратор, подключенный к тракту питания второго канала, установлены на противоположных сторонах металлического экрана.

3. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что вибраторы, подключенные к первому и второму трактам питания, установлены на одной стороне металлического экрана.

4. Антенна по п.1 и/или 2 и 3, отличающаяся тем, что вибраторы, подключенные к тракту питания первого канала, выполнены в форме петлевых вибраторов.

5. Антенна по п. 1 и/или 2 4, отличающаяся тем, что точки подключения вибраторов к первому и второму каналам питания разнесены по вертикали друг относительно друга на расстояние, составляющее не менее четверти от высоты вибраторов, подключенных к первому тракту питания.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал
Электроника и электротехника




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+автомобильная -сигнализация".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "датчик" будут найдены слова "датчик", "датчики" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("датчик!").


Металлоискатели и металлодетекторы | Электронные устройства охраны и сигнализации | Электронные устройства систем связи | Приемные и передающие антенны | Электротехнические и радиотехнические контрольно-измерительные приборы и способы электроизмерений | Электронные устройства пуска, управления и защиты электродвигателей постоянного и переменного тока | Электродвигатели постоянного и переменного тока | Магниты и электромагниты | Кабельно-проводниковые и сверхпроводниковые изделия


Рейтинг@Mail.ru