5.10. Коллинеарные антенны

Несимметричные электрические вибраторы (штыревые антенны) из-за слабой направленности излучения целесообразно применять в качестве антенн носимых и возимых радиостанций. В то же время, в составе приемопередатчиков, например, стационарных радиостанций, базовых станций систем сотовой связи желательно иметь антенны с круговой ДН в горизонтальной плоскости и узкой (шириной в среднем порядка 10 град.) ДН в вертикальной плоскости. Такие антенны обеспечивают КНД и КУ 8-15 дБ и позволяют, в частности, при одной и той же мощности передатчика существенно увеличить радиус действия системы связи по сравнению с вариантом использования обычного несимметричного вибратора. Примером антенн, обладающих подобными характеристиками, служат так называемые коллинеарные антенны ОВЧ-СВЧ диапазонов в виде линейных решеток соосно расположенных СЭВ, полосковых вибраторных или резонаторных излучателей и др. [9, 18].

Один из эффективных способов реализации коллинеарной антенны предусматривает использование линейной антенной решетки, в которой комбинируется несколько синфазных коллинеарных излучающих элементов с последовательным (рис. 5.30) [18] или параллельным питанием. Типовые конструкции коллинеарных антенных решеток УВЧ и СВЧ диапазонов с последовательным питанием приведены на рис. 5.30 [9, 18], на котором показаны: решетка вертикальных излучателей с фазирующими секциями (а); так называемая СОСО антенна из полуволновых отрезков коаксиального кабеля (б); альтернативный вариант СОСО антенны в виде печатной коллинеарной антенны ОМА [18]. Антенна ОМА (рис. 5.30) отличается компактностью, технологичностью и возможностью формирования спадающего к краям решетки амплитудного распределения.

Рис. 5.30. Варианты коллинеарных антенн

Представленные на рис. 5.30 антенны построены по одному принципу: в линейной решетке с последовательным питанием излучателей с помощью фазоинвертирующих элементов или путем переменно-фазного включения обеспечивается синфазное возбуждение излучателей на заданной рабочей частоте. Такие антенны работают в режиме, близком к режиму нормального излучения, с небольшим отклонением ГЛ ДН от нормали к оси решетки с целью обеспечения хорошего согласования антенн по входу. При изменении рабочей частоты ДН сканирует в пространстве, как у любой линейной антенной решетки с последовательным возбуждением элементов.

Коллинеарные антенны с последовательным питанием характеризуются КУ порядка 8-15 дБ; ширина полосы рабочих частот не превышает 5-10 %. Форма ДН в экваториальной плоскости близка к круговой: неравномерность КУ составляет в среднем 1,5-2 дБ.

На практике применяются и коллинеарные антенны с параллельной схемой возбуждения излучающих элементов, работающие в режиме нормального излучения в широкой (более 10 %) полосе частот.

5.11. Способы и устройства подключения вибраторных антенн к линиям передачи

К несимметричной антенне несимметричный фидер можно подключить непосредственно: центральный проводник к вибратору, а внешний к заземле­нию, противовесу или корпусу, если входное сопротивление антенны равно волновому сопротивлению фидера. В противном случае между антенной и фидером ставят согласующий трансформатор.

Непосредственное подключение несимметричной линии передачи — коаксиального фидера к симметричному вибратору, как это показано на рис. 5.31, а без симметрирующего устройства нарушает распределение токов в плечах вибратора и приводит к появлению токов на поверхности внешнего проводника фидера. В результате возникает антенный эффект фидера и при работе горизонтального вибратора на передачу создается паразитное излучение с вертикальной поляризацией, а при работе на прием счет асимметрии происходит прием вертикально ЭМВ. В целом, ДН может искажаться непредсказуемым образом.

Рис. 5.31. Эффект нарушения симметрии СЭВ при питании несимметричной линией передачи

На рис. 5.32 показано несколько распространенных вариантов питания СЭВ с помощью симметричных и несимметричных линий передачи [5, 10, 11].

а б в

Рис. 5.32. Варианты питания полуволновых СЭВ

Сплошной СЭВ на рис. 5.32, а питается симметричной двухпроводной ЛП, точки подключения которой симметрично смещены относительно середины СЭВ (точка а) так, чтобы обеспечить равенство входного сопротивления СЭВ и волнового сопротивления линии для снижения КСВ в линии (схема шунтового питания).

СЭВ, питаемый коаксиальным кабелем со стандартным волновым сопротивлением 75 Ом с помощью симметрирующего мостикового устройства, показан на рис. 5.32, б. Экранирующая оплетка кабеля и дополнительная металлическая трубка, замкнутые перемычкой, образуют четвертьволновый короткозамкнутый на конце отрезок двухпроводной линии, обладающий высоким входным сопротивлением. При этом электрические токи по оплетке кабеля и по поверхности трубки практически не протекают и симметрия СЭВ не нарушается. Устройство достаточно широкополосное и работает в относительной полосе частот до ±(20-30) %.

СЭВ, питаемый коаксиальным кабелем с помощью симметрирующего волнового U-колена, показан на рис. 5.32, в. U-колено состоит из двух отрезков кабеля с волновым сопротивлением 75 Ом длиной и , — средняя рабочая длина волны в кабеле. Относительная полоса рабочих частот составляет ±(10-15) % средней частоты.

В [2, 5, 10, 11, 17] описаны и другие варианты питания обычных и петлевых СЭВ симметричными и несимметричными линиями передачи.