3.7. Антенные устройства с двумя направлениями излучения

Метод формирования диаграммы направленности, реализованный в антеннах кругового облучения, позволяет получать ДН в азимутальной плоскости от круговой до секторной или многосекторной варьированием геометрии резонатора при сохранении узкой ДН в вертикальной плоскости. Это удобно для адаптации ДН антенн базовых станций систем подвижной связи применительно к конкретным условиям расположения обслуживаемой территории. Для протяжённых в одном направлении зон обслуживания (населённые пункты, расположенные вдоль рек, вдоль железных или автомобильных дорог и т.д.) могут быть востребованы антенны БС с двухсекторной ДН.

Такая антенна, например, может представлять собой электрический вибратор, окружённый металлической цилиндрической поверхностью с вырезанными вдоль образующей частями на диаметрально противоположных сторонах как показано на рис. 3.13.

На рис. 3.14 показана зависимость коэффициента направленного действия такой антенны от высоты H при различных углах раскрыва β.

Максимальный КНД такой антенны равен примерно 9 дБ при β = 40º и β = 80º.

На рис. 3.15 представлена диаграмма направленности антенны с β = 80º, H = 4 λ.

Если в данном сплошном резонаторе оставить только один вырез, то антенна эволюционирует в базовый вариант резонаторно-возбуждаемой антенны. Это антенна уже с секториальной ДН и КНД её может превышать 12 дБ.

3.8. Метод разделительного экрана для формирования диаграммы направленности резонаторно-возбуждаемых антенн

Антенные устройства резонаторного возбуждения позволяют резко упростить конструкцию антенн, сведя её фактически к двум элементам – резонатору и источнику возбуждения. Реализованный в них метод обеспечивает ДН, узкую в вертикальной плоскости (~20º и менее) и секторную или двух- или более- секторную в азимутальной плоскости.

Варьируя ширину излучающей поверхности, можно получить различную ширину ДН в азимутальной плоскости. При этом при уменьшении ширины излучающей поверхности угол раскрыва ДН увеличивается, а при увеличении диаграмма направленности, наоборот, сужается в азимутальной плоскости. Такое свойство антенн этого класса можно использовать для построения более направленных антенн в азимутальной плоскости. Но при этом ДН расширяется в вертикальной плоскости, и КНД не увеличивается.

Метод разделительного экрана позволяет увеличить КНД антенного устройства на величину до 3 дБ, не меняя его габариты. Общий вид антенного устройства показан на рис. 3.16.

За основу в данной антенне взят базовый вариант резонаторно-возбуждаемой антенны, у которой поперечный размер и ширина излучающей поверхности увеличены вдвое до (0.6 ÷ 1.4) λ. Но при этом в вертикальной плоскости ДН соответственно расширяется. Разделительный экран, располагаемый в плоскости симметрии, позволяет разделить излучающую поверхность на две синфазно возбуждаемые апертуры. Каждая половина антенны имеет электрические характеристики, идентичные характеристикам антенны-прототипа и совместно они образуют горизонтальную решётку. ДН в E-плоскости идентична ДН антенны-прототипа (т.е. ~20º и менее), а в H-плоскости сужается вдвое и составляет величину 30º- 60º в зависимости от геометрических размеров антенны. КНД увеличивается на 3 дБ и достигает величины 15-17 дБ.

Форма и размеры резонатора, а также форма, размеры и местоположение разделительного экрана оказывают заметное влияние на характеристики антенного устройства. Кроме того, при практическом построении антенн приходится, как известно, решать ряд сопутствующих, в частности, конструктивных задач: ограничения на габариты, ветроустойчивость и т.д. Поэтому поиск оптимальной геометрии антенн представляет собой весьма важную задачу.

Подбором формы резонатора и ширины разделительного экрана можно добиться величины КНД более 16 дБ.

Например, для структуры, показанной на рис. 3.17,

з ависимость КНД антенного устройства от высоты антенны H при различном удалении d разделительного экрана от источника возбуждения показана на рис. 3.18.

Графики показывают, что КНД имеет устойчивую тенденцию к росту в зависимости от высоты антенны H при удалении задней кромки разделительного экрана от источника возбуждения d порядка (0.18 - 0.25) λ. При этом можно ограничиться высотой антенны H ~ 4 λ. При меньших значениях d зависимость КНД от H имеет колебательный характер, а при больших, начиная с высоты H = 2.5 λ, КНД не увеличивается.

Зависимость КНД антенного устройства от высоты H при различной продольной длине резонатора R показана на рис. 3.19.

График показывает, что КНД антенны при величинах R < 0.625 λ не растёт существенно, начиная с H ~ (2.5 -3) λ. КНД максимален при H > 0.75 λ.

Для данного антенного устройства максимальный КНД антенны достигается при применении резонатора высотой H ~ 4 λ, длиной в направлении излучения R ~ 0.75 λ и разделительного экрана с расстоянием его задней кромки от источника возбуждения d ~ 0.19 λ.

Т ипичная диаграмма направленности антенного устройства в азимутальной и вертикальной плоскостях показана на рис. 3.20. Угол раскрыва ДН в азимутальной плоскости φ ~ 50º, в вертикальной θ ~ 19º.

Из графика хорошо видно, что по сравнению с базовым вариантом диаграмма в вертикальной плоскости остаётся неизменной, а в горизонтальной плоскости сужается вдвое.

Число разделительных экранов при соответствующем увеличении ширины антенны можно увеличить. Например, антенна с тремя разделительными экранами и прямоугольным резонатором, показанная на рис. 3.21 (вид сверху), имеет ДН с одинаковой шириной в азимутальной и вертикальной плоскости ~20º и КНД до 20 дБ.

Предложенный метод формирования ДН при помощи разделительного экрана, расположенного в вертикальной плоскости симметрии, в применении к антеннам на основе цилиндрического резонатора с открытой боковой стенкой позволяет конструктивно просто решить проблему построения эффективных антенн с секториальной диаграммой направленности. Антенные устройства, реализующие этот метод, содержат минимальное количество элементов (источник возбуждения, резонатор, разделительный экран), просты в изготовлении, настройке, имеют высокие электродинамические характеристики и могут использоваться в БС систем подвижной и сотовой связи.