RU2556421C2

RU2556421C2 - Combined shipborne quasi-collinear antenna for automatic identification system

Info

Publication number: RU2556421C2
Application number: RU2013146052/08A
Authority: RU
Inventors: Владимир Николаевич Дебедев; Владимир Иванович Милкин; Николай Васильевич Калитенков; Александр Евгеньевич Шульженко; Сергей Игоревич Гусаров
Priority date: 2013-10-15
Filing date: 2013-10-15
Publication date: 2015-07-10
Also published as: RU2013146052A

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: invention relates to radio engineering and provides a combined shipborne quasi-collinear antenna for an automatic identification system. The antenna comprises a supporting pipe and inphase-driven dipoles. The dipoles are mounted on the supporting pipe and are separated from each other by a distance of λ/2 of the average wavelength of the operating frequency range. The dipoles are a double triangular zigzag structure with a vertical polarisation. The dipoles are offset from each other about an axis by an angle π/2. The supporting pipe is in the form of a double-conductor symmetrical feeder line made of tubular conductors. An antenna feed cable is laid in one of the conductors and a GPS antenna feed cable is laid in the other conductor. The ends of the tubular conductors are electrically connected. The tubular conductors are corrugated between the dipoles. The dipoles are electrically fed from the supporting double-conductor symmetrical feeder line.

EFFECT: simple design of the antenna, simple electrical power supply, obtaining an equally compressed beam pattern in the vertical plane and achieving combined operation of a GPS system with the antenna device.

4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в антенно-фидерных устройствах в качестве изотропной в горизонтальной плоскости антенны, при работе с вертикальной поляризацией в системах транспортной, мобильной и стационарной радиосвязи, телевидении и радионавигации, а преимущественно, в судовых автоматических идентификационных системах при одновременной работе УКВ и ГЛОНАСС/GPS радиосистем.The invention relates to radio engineering and can be used in antenna-feeder devices as an antenna isotropic in the horizontal plane, when working with vertical polarization in transport, mobile and stationary radio communications systems, television and radio navigation, and mainly in ship automatic identification systems with simultaneous operation VHF and GLONASS / GPS radio systems.

Известна «карусельная» антенна кругового излучения вертикальной поляризации (пат. РФ №2356137, опубл. 20.05.2009), содержащая несколько пар ромбообразных секций фазированной антенной решетки вертикальной поляризации, рефлектор и несколько двухпроводных фидеров. Пары ромбообразных секций соединены между собой и образуют единое замкнутое по окружности полотно. Количество пар ромбообразных секций зигзагообразных структур соответствует условию обеспечения круговой диаграммы направленности. Рефлектор расположен вертикально внутри полотна из ромбообразных секций и представляет собой цилиндр с боковой поверхностью, составленной из вертикальных проводников, расположенных параллельно друг другу.Known "carousel" circular circular antenna of vertical polarization (US Pat. RF No. 2356137, publ. 20.05.2009), containing several pairs of rhomboid sections of a phased antenna array of vertical polarization, a reflector and several two-wire feeders. Pairs of rhomboid sections are interconnected and form a single closed on a circumference of the canvas. The number of pairs of rhomboid sections of zigzag structures corresponds to the condition for providing a circular radiation pattern. The reflector is located vertically inside the web of rhomboid sections and is a cylinder with a side surface composed of vertical conductors arranged parallel to each other.

Недостатками известной антенны на базе зигзагообразных структур при высоком коэффициенте усиления и изотропной диаграмме направленности в горизонтальной плоскости являются относительно большие диаметральные габариты, повышенная сложность конструкции и коммутации активных элементов.The disadvantages of the known antennas based on zigzag structures with a high gain and isotropic radiation pattern in the horizontal plane are relatively large diametrical dimensions, increased complexity of the design and switching of active elements.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой в качестве изобретения антенне является коллинеарная антенная система полуволновых вибраторов (пат. РФ №2157581, опубл. 10.10.2000), содержащая несущую металлическую трубу, на которой расположены n бикоаксиальных полуволновых вибраторов. Каждое плечо полуволнового вибратора выполнено в виде цилиндра длиной, равной λ/4 средней длины волны рабочего диапазона частот, насаженного на несущую трубу, и соединено в верхней части с несущей металлической трубой. Между центрами вибраторов расстояние по вертикали составляет λ/2 средней длины волны рабочего диапазона частот. В несущей трубе размещен фидер питания. Синфазное питание коммутируется центральной жилой к изолированной нижней части цилиндра верхнего плеча каждого полуволнового вибратора с подключением оплетки к несущей металлической трубе.The closest in technical essence to the antenna claimed as an invention is a collinear antenna system of half-wave vibrators (US Pat. RF No. 2157581, publ. 10.10.2000) containing a supporting metal pipe on which n biaxial half-wave vibrators are located. Each shoulder of the half-wave vibrator is made in the form of a cylinder with a length equal to λ / 4 of the average wavelength of the operating frequency range, mounted on the carrier pipe, and connected in the upper part to the carrier metal pipe. Between the centers of the vibrators, the vertical distance is λ / 2 of the average wavelength of the working frequency range. A feed feeder is located in the carrier tube. Common-mode power is switched by the central core to the insulated lower part of the cylinder of the upper arm of each half-wave vibrator with the braid connected to the supporting metal pipe.

Данная антенна вертикальной поляризации, при минимальной неравномерности диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, имеет коэффициент усиления, зависящий от n полуволновых вибраторов, который при n, равной 3, для оптимальной высоты антенны для судов, равной 1,5 λ, составляет 3,5 дБ (ВЕРШКОВ М.В. Судовые антенны. - Л.: Судостроение, 1979, с.171-173, рис.5.6).This antenna of vertical polarization, with minimal irregularity of the radiation pattern in the horizontal plane, has a gain that depends on n half-wave vibrators, which for n equal to 3, for the optimal antenna height for ships equal to 1.5 λ, is 3.5 dB ( VERSHKOV M.V. Ship antennas .-- L .: Shipbuilding, 1979, p.171-173, Fig.5.6).

Недостатком устройства-прототипа является то, что при улучшенной диаграмме направленности в горизонтальной плоскости и повышенном коэффициенте усиления она как по механической конструкции, так и по электрическому питанию имеет сложные схемы, что в комплексе приводит к затруднению технической эксплуатации.The disadvantage of the prototype device is that with an improved radiation pattern in the horizontal plane and an increased gain, it has complex circuits both in mechanical design and in electrical power, which in combination leads to difficulties in technical operation.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в упрощении конструкции и электрического питания, не менее сжатой диаграммы направленности в вертикальной плоскости и в комбинировании для совместной работы с антенным устройством системы GPS.The technical result, to which the claimed invention is directed, consists in simplifying the design and electric power supply, a no less compressed radiation pattern in the vertical plane and in combining it for working together with the GPS antenna device.

Для достижения указанного технического результата в комбинированной судовой «квазиколлинеарной» антенне автоматической идентификационной системы, содержащей несущую трубу, на которой расположены синфазно возбуждаемые вибраторы, разнесенные друг от друга на расстоянии, равном λ/2 средней длины волны рабочего диапазона частот, вибраторы представляют собой двойную треугольную зигзагообразную структуру вертикальной поляризации и сдвинуты относительно друг друга вокруг оси на угол π/2, несущая труба выполнена в виде двухпроводной симметричной фидерной линии из трубчатых проводников, в одном из которых проложен кабель питания антенны, в другом кабель питания GPS антенны, концы трубчатых проводников электрически соединены, причем трубчатые проводники между вибраторами выполнены гофрированными.To achieve the specified technical result in the combined shipboard “quasi-collinear” antenna of an automatic identification system containing a carrier tube, on which are in-phase excited vibrators spaced apart from each other at a distance equal to λ / 2 of the average wavelength of the operating frequency range, the vibrators are double triangular zigzag structure of vertical polarization and shifted relative to each other around the axis by an angle π / 2, the supporting tube is made in the form of a two-wire sym en- feeder line of the tubular conductors, one of which is laid aerial power cable, the power cable in the other GPS antenna, the ends of the tubular conductors are electrically connected, wherein the tubular conductors between vibrators are corrugated.

В техническом решении упрощена конструкция антенны за счет использования треугольных зигзагообразных проводниковых структур вибраторов вместо полых коаксиально расположенных на трубе металлических цилиндров со снижением материалоемкости и веса конструкции. А также упростилось и питание антенны с подключением питающего коаксиального кабеля всего в одной точке вместо раздельного подключения каждого полуволнового вибратора с питанием через дополнительное согласующее устройство.The technical solution simplified the antenna design through the use of triangular zigzag conductor structures of vibrators instead of hollow metal cylinders coaxially located on the pipe with a decrease in material consumption and weight of the structure. Also, the antenna power supply was simplified by connecting a supply coaxial cable at only one point instead of separately connecting each half-wave vibrator with power supply through an additional matching device.

Отличительными признаками предлагаемой комбинированной судовой «квазиколлинеарной» антенны автоматической идентификационной системы от указанной выше известной, наиболее близкой к ней, являются следующие:The distinctive features of the proposed combined ship "quasi-collinear" antenna automatic identification system from the above known, closest to it, are the following:

- вибраторы выполнены в виде двойной треугольной направленной зигзагообразной структуры вертикальной поляризации,- the vibrators are made in the form of a double triangular directional zigzag structure of vertical polarization,

- вибраторы сдвинуты относительно друг друга вокруг оси на угол π/2,- the vibrators are shifted relative to each other around the axis by an angle π / 2,

- несущая труба выполнена в виде двухпроводной симметричной фидерной линии из трубчатых проводников для прокладки в одном проводнике питающего коаксиального кабеля антенны, а в другом проводнике кабеля питания для GPS антенны,- the carrier tube is made in the form of a two-wire symmetric feeder line of tubular conductors for laying in one conductor of the power coaxial antenna cable, and in the other conductor of the power cable for the GPS antenna,

-концы трубчатых проводников электрически соединены,- the ends of the tubular conductors are electrically connected,

- трубчатые проводники между вибраторами в промежутке разноса по вертикали на λ/2 выполнены гофрированными.- tubular conductors between the vibrators in the interval of vertical separation at λ / 2 are corrugated.

Благодаря наличию этих признаков предлагаемая комбинированная судовая «квазиколлинеарная» антенна автоматической идентификационной системы имеет упрощенную конструкцию, упрощенное электрическое питание и комбинирование с антенным устройством системы GPS, а также, как и прототип, имеет круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости и сжатую диаграмму направленности в вертикальной плоскостиDue to the presence of these features, the proposed combined ship “quasi-collinear” antenna of the automatic identification system has a simplified design, simplified electrical power and combination with the GPS antenna device, as well as a prototype, has a circular radiation pattern in the horizontal plane and a compressed radiation pattern in the vertical plane

Предлагаемая комбинированная судовая «квазиколлинеарная» антенна автоматической идентификационной системы иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-3.The proposed combined ship "quasi-collinear" antenna of the automatic identification system is illustrated by the drawings shown in figures 1-3.

На фиг.1 схематично изображена предлагаемая комбинированная судовая «квазиколлинеарная» антенна автоматической идентификационной системы, на фиг.2 - диаграммы направленности антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях, на фиг.3 - график изменения коэффициента стоячей волны в рабочем диапазоне частот.Figure 1 schematically shows the proposed combined ship "quasi-collinear" antenna of an automatic identification system, figure 2 - radiation patterns of the antenna in horizontal and vertical planes, figure 3 is a graph of the variation of the standing wave coefficient in the operating frequency range.

Антенна (фиг.1) содержит синфазно возбуждаемые вибраторы 1 и 2. Вибраторы 1, 2 выполнены в виде двойной треугольной направленной зигзагообразной структуры вертикальной поляризации из образующих стороны проводников, длины которых выбраны равными λ/4 средней длины волны рабочего диапазона частот. Вибраторы 1, 2 разнесены по вертикали на λ/2 средней длины волны рабочего диапазона частот и сдвинуты относительно друг друга вокруг оси на угол π/2. Вибраторы 1, 2 электрически запитаны от несущей двухпроводной симметричной фидерной линии из трубчатых проводников 3 и 4. В проводнике 4 проложен кабель питания антенны от точки 8 крепления антенны до точки 5 подсоединения экрана кабеля (на фиг.1 экран не изображен) к проводнику 4 с коммутацией центральной жилы кабеля питания в точке 6. В проводнике 3 проложен кабель питания GPS антенны от точки 8 до точки 7 подключения GPS антенны. Симметрирование от питающего коаксиального кабеля, проложенного в проводнике 4 с выходом в нижней трети средней части фидерной линии осуществляется коммутацией экрана на проводник 4 в точке 5, а центральной жилы на противоположный проводник 3 в точке 6. Трубчатые проводники 3, 4 между вибраторами 1 и 2 выполнены гофрированными общей протяженностью проводящей поверхности 3λ/4 средней длины волны рабочего диапазона частот. Выполнение проводников 3, 4 между вибраторами 1, 2 гофрированными удлиняет путь тока, что, в свою очередь, обеспечивает сдвиг фаз и, как следствие, круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости. Над вибратором 1 вверху на расстоянии λ/4 средней длины волны рабочего диапазона частот трубчатые проводники 3 и 4 электрически соединены, а в точке 7 выполнено устройство для крепления GPS антенны и вывода проложенного в проводнике 3 кабеля питания. Под вибратором 2 внизу на расстоянии λ/4 средней длины волны рабочего диапазона частот трубчатые проводники 3 и 4 также электрически соединены, а в точке 8 выполнено устройство для ввода коаксиальных кабелей и крепления антенны к месту установки.The antenna (Fig. 1) contains in-phase excited vibrators 1 and 2. Vibrators 1, 2 are made in the form of a double triangular directional zigzag structure of vertical polarization from the sides forming the conductors, the lengths of which are chosen equal to λ / 4 of the average wavelength of the operating frequency range. The vibrators 1, 2 are spaced vertically at λ / 2 of the average wavelength of the working frequency range and are shifted relative to each other around the axis by an angle π / 2. The vibrators 1, 2 are electrically powered from the carrier two-wire symmetrical feeder line of tubular conductors 3 and 4. In the conductor 4, the antenna power cable is laid from the antenna attachment point 8 to the cable shield connection point 5 (the screen is not shown in Fig. 1) to the conductor 4 s switching the central core of the power cable at point 6. In conductor 3, the GPS antenna power cable from point 8 to point 7 of the GPS antenna connection is laid. Balancing from the supply coaxial cable laid in conductor 4 with the output in the lower third of the middle part of the feeder line is carried out by switching the screen to conductor 4 at point 5, and the central core to the opposite conductor 3 at point 6. Tubular conductors 3, 4 between vibrators 1 and 2 made corrugated by the total length of the conductive surface 3λ / 4 of the average wavelength of the working frequency range. The implementation of the conductors 3, 4 between the corrugated vibrators 1, 2 lengthens the current path, which, in turn, provides a phase shift and, as a result, a circular radiation pattern in the horizontal plane. Above the vibrator 1 at the top at a distance λ / 4 of the average wavelength of the operating frequency range, the tubular conductors 3 and 4 are electrically connected, and at point 7, a device for attaching a GPS antenna and outputting a power cable laid in the conductor 3 is made. Under the vibrator 2 below, at a distance λ / 4 of the average wavelength of the operating frequency range, the tubular conductors 3 and 4 are also electrically connected, and at point 8, a device for inputting coaxial cables and attaching the antenna to the installation site is made.

Работает комбинированная судовая «квазиколлинеарная» антенна автоматической идентификационной системы следующим образом.The combined ship "quasi-collinear" antenna of the automatic identification system operates as follows.

Подведенная питающая мощность от коаксиального кабеля, проложенного в проводнике 4 с коммутацией экрана и жилы в точках 5 и 6, разветвляется по двухпроводной симметричной фидерной линии, образованной проводниками 3 и 4, к вибраторам 1 и 2. Конструктивное выполнение вибраторов 1 и 2 в виде зигзагообразной структуры обеспечивает коэффициент усиления 3-4 дБ и восьмерочную диаграмму направленности в горизонтальной плоскости. Вибраторы 1 и 2 сдвинуты относительно друг друга вокруг оси на угол π/2, при питании их напряжением со сдвигом фаз на 7 π/2 на их входах суммарно обеспечивают круговую диаграмму направленности с этим же коэффициентом усиления. Средняя часть фидерной линии, выполненная из гофрированных проводников 3 и 4 общей протяженностью проводящей поверхности 3λ/4 средней длины волны рабочего диапазона частот, обеспечивает необходимый сдвиг по фазе на π/2 между питающими напряжениями на входах вибраторов 1 и 2 при увеличенной развязке взаимовлияния вибраторов 1, 2. Разнос вибраторов 1 и 2 на λ/2 средней длины волны рабочего диапазона частот сжимает диаграмму направленности в вертикальной плоскости и увеличивает коэффициент усиления до 4-5 и более дБ (фиг.2). Продление трубчатых проводников за пределы вибраторов вверх и вниз на λ/4 средней длины волны рабочего диапазона частот с электрическим соединением концов обеспечивает возможность крепления GPS антенны и конструкции самой антенны к месту установки. Уменьшены размеры антенны в 1,5 раза по вертикали при соизмеримом, с увеличением на 1,5 дБ, коэффициенте усиления.The supplied power from the coaxial cable laid in the conductor 4 with the screen and core switching at points 5 and 6 branches out along the two-wire symmetric feeder line formed by the conductors 3 and 4 to the vibrators 1 and 2. The design of the vibrators 1 and 2 in the form of a zigzag structure provides a gain of 3-4 dB and an eight-dimensional radiation pattern in the horizontal plane. Vibrators 1 and 2 are shifted relative to each other around the axis by an angle π / 2, when powered by voltage with a phase shift of 7 π / 2 at their inputs, they provide a circular radiation pattern with the same gain. The middle part of the feeder line made of corrugated conductors 3 and 4 with a total length of the conductive surface 3λ / 4 of the average wavelength of the working frequency range provides the necessary phase shift by π / 2 between the supply voltages at the inputs of the vibrators 1 and 2 with an increased isolation of the interaction of the vibrators 1 , 2. The spacing of the vibrators 1 and 2 at λ / 2 of the average wavelength of the working frequency range compresses the radiation pattern in the vertical plane and increases the gain to 4-5 or more dB (figure 2). Extending the tubular conductors beyond the vibrators up and down to λ / 4 of the average wavelength of the working frequency range with the electrical connection of the ends provides the possibility of attaching the GPS antenna and the antenna structure to the installation site. The dimensions of the antenna are reduced 1.5 times vertically with a comparable gain of 1.5 dB, with an increase of 1.5 dB.

Результаты электронного моделирования полностью подтверждают анализ работы комбинированной судовой «квазиколлинеарной» антенны автоматической идентификационной системы, что видно из диаграмм направленности в горизонтальной плоскости и вертикальной плоскости (фиг.2), при невысоком коэффициенте стоячей волны в рабочем диапазоне частот (фиг.3). График, представленный на фиг.3, свидетельствует об отличном качестве согласования, что, в свою очередь, говорит об эффективном использовании энергии.The results of electronic modeling fully confirm the analysis of the combined ship "quasi-collinear" antenna of the automatic identification system, which can be seen from the radiation patterns in the horizontal plane and the vertical plane (Fig. 2), with a low standing wave coefficient in the operating frequency range (Fig. 3). The graph presented in figure 3, indicates an excellent quality of coordination, which, in turn, indicates the efficient use of energy.

Создан действующий макет заявляемой в качестве изобретения антенны, который при практических испытаниях полностью подтвердил результаты электронного моделирования.A working model of the antenna claimed as an invention was created, which, during practical tests, fully confirmed the results of electronic modeling.

Claims

1. Комбинированная судовая «квазиколлинеарная» антенна автоматической идентификационной системы, содержащая несущую трубу, на которой расположены синфазно возбуждаемые вибраторы, разнесенные друг от друга на расстоянии, равном λ/2 средней длины волны рабочего диапазона частот, отличающаяся тем, что вибраторы представляют собой двойную треугольную зигзагообразную структуру вертикальной поляризации и сдвинуты относительно друг друга вокруг оси на угол π/2, несущая труба выполнена в виде двухпроводной симметричной фидерной линии из трубчатых проводников, в одном из которых проложен кабель питания антенны, в другом кабель питания GPS антенны, концы трубчатых проводников электрически соединены, причем трубчатые проводники между вибраторами выполнены гофрированными.1. Combined ship "quasi-collinear" antenna of an automatic identification system containing a carrier tube, on which are in-phase excited vibrators spaced apart from each other at a distance equal to λ / 2 of the average wavelength of the operating frequency range, characterized in that the vibrators are double triangular zigzag structure of vertical polarization and shifted relative to each other around the axis by an angle π / 2, the supporting tube is made in the form of a two-wire symmetrical feeder line tuple conductors, in one of which the antenna power cable is laid, in the other is the GPS antenna power cable, the ends of the tubular conductors are electrically connected, and the tubular conductors between the vibrators are corrugated.

2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что длина проводников, образующих двойную треугольную структуру вертикальной поляризации, составляет λ/4 средней длины волны рабочего диапазона волн.2. The antenna according to claim 1, characterized in that the length of the conductors forming a double triangular structure of vertical polarization is λ / 4 of the average wavelength of the operating wavelength range.

3. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что длина гофрированной части трубчатых проводников составляет 3λ/4 средней длины волны рабочего диапазона волн.3. The antenna according to claim 1, characterized in that the length of the corrugated part of the tubular conductors is 3λ / 4 of the average wavelength of the operating wavelength range.

4. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что длина трубчатых проводников за пределами вибраторов вверх и вниз равна λ/4 средней длины волны рабочего диапазона волн. 4. The antenna according to claim 1, characterized in that the length of the tubular conductors outside the vibrators up and down is equal to λ / 4 of the average wavelength of the operating wavelength range.