БИКОНИЧЕСКАЯ АНТЕННА Российский патент 1994 года по МПК H01Q13/04 

Изобретение относится к антенной технике, а именно к широкодиапазонным антеннам.

Известны дипольные антенны, состоящие из цилиндрических проводников (см. , например, Фрадина А. З. , Антенно-фидерные устройства, М.: Связь. 1977). Эти антенны имеют круговую диаграмму направленности в плоскости Н в широком диапазоне частот, но при этом узкополосны по согласованию с фидером.

Известны также шунтовые вибраторы, два плеча которых шунтированы третьим проводником. Эти антенны имеют круговые диаграммы направленности в плоскости Н, шунт антенны обеспечивает грозозащиту, повышает электромагнитную совместимость, но при этом коэффициент перекрытия шунтовых вибраторов по частоте не превышает ≅ 3:1.

Известна биконическая антенна, которая состоит из двух металлических конусов, соединенных вершинами.

Указанная антенна имеет удовлетворительные характеристики в широком диапазоне частот ( ≃ 6:1, ДН в плоскости Н - круговая, КБВ > 0,3). Но биконическая антенна имеет большие объемные габариты (продольные размеры около 0,3 λ_max), не имеет грозозащиты, верхний конус держится на изоляторе, что затрудняет выполнение механически прочной конструкции.

Для уменьшения габаритов примерно на 20%, обеспечения грозозащиты, повышения ЭМС и прочности конструкции биконус часто используют с шунтом. При этом шунт не портит согласования на более высоких частотах, но его присутствие - искажает ДН в плоскости Н при увеличении частоты, что ограничивает рабочий диапазон антенны до значений ≃ 3:1.

Известна также биконическая антенна, выбранная в качестве прототипа, содержащая N шунтов, расположенных между основаниями конусов по окружности с угловым интервалом Ψ = параллельно оси вибратора.

Недостатком такой конструкции является возрастание суммарной проводимости шунтов, которое приводит к ухудшению рабочего диапазона частот. Требуемое уменьшение поперечного сечения шунта не всегда возможно по конструктивным соображениям.

Цель изобретения - расширение рабочего диапазона частот.

Это достигается тем, что в биконической антенне, содержащий N шунтов, расположенных между основаниями конусов по окружности с угловым интервалом Ψ = параллельно оси вибратора, каждый из N шунтов разделен на две части, при этом отрезки шунтов, соединенные с верхним конусом, смещены вокруг оси антенны на угол α=Ψ/2 относительно отрезков шунтов, соединенных с нижним конусом.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предложенная антенна отличается тем, что каждый из N шунтов разделен на две части, кроме того, отрезки шунтов верхней части смещены на угол α=Ψ/2, относительно отрезков шунтов нижней части. Таким образом, предложенная антенна соответствует критерию "новизна".

Указанные признаки известны, но свойства, которые благодаря им приобретает изобретение, приводят к расширению верхней части рабочего диапазона, что обеспечивает получение положительного эффекта и дает основание сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".

Разделение каждого из N шунтов на две части и расположение этих 2N частей равномерно по окружности оказывается эквивалентным по своему влиянию на диаграмму направленности в плоскости Н увеличению числа шунтов в 2 раза и, как следствие, расширению рабочего диапазона частот в два раза.

На фиг. 1 схематически изображена известная антенна; на фиг.2 - предложенная антенна; на фиг. 3 - экспериментальные диаграммы направленности известной антенны в горизонтальной плоскости; на фиг.4 - экспериментальные диаграммы направленности предложенной антенны тех же габаритов.

Верхнее 1 и нижнее 2 плечи антенны (см. фиг.1) выполнены в виде одинаковых металлических конусов, ориентированных вершинами друг к другу. Основания конусов 1 и 2 соединены N шунтами 3, расположенными по окружности с угловым интервалом Ψ = параллельно оси вибратора. К вершине конусов 1 и 2 подключен генератор 4.

В предложенной антенне (см.фиг.2) каждый шунт разделен на две части 5 и 6 и соединен проводящими перемычками 7, при этом отрезки шунтов 5 смещены вокруг оси антенны на угол α=Ψ/2 относительно отрезков шунтов 6.

Работа предложенной и известной антенн была осуществлена на макетах, экспериментальные данные следующие.

Геометрические параметры испытуемых антенн были одинаковы и соответственно равны:
Угол при вершине конус θ_o 90^о
Диаметр основания конуса D 375 мм
Высота антенны 2h 375 мм
Количество шунтов 3шт
Диаметр шунта 60 мм
Ширина кольца 6мм
На фиг. 3 приведены ДН в плоскости Н известной антенны в диапазоне 233-1200 МГц. В низкочастотной части диапазона антенна имеет круговую диаграмму направленности. При повышении частоты, начиная с f = 800 МГц диаграмма направленности становится трехлепестковой с Е_min < <0,7Е_max, причем неравномерность увеличивается с увеличением частоты.

Таким образом рабочий диапазон известной антенны ограничивается на низкой частоте малым значением КБВ, а на высокой частоте - неравномерностью диаграммы направленности. При этом получаем отношение крайних частот рабочего диапазона
= = 3,2 .

При этом предложенная антенна разделена на две части (допустим, на равные части).

Очевидно, что диаграмма направленности в плоскости Н является результатом суперпозиции ДН верхней и нижней частей антенны. У известной антенны верхняя и нижняя части симметричны относительно поперечной плоскости, их индивидуальные диаграммы направленности одинаковы и совпадают с суммарной диаграммой направленности, приведенной на фиг.3.

Если сместить нижнюю половину антенны вокруг оси на угол α=Ψ/2, то на частотах f ≥ 800 МГц минимумы диаграммы направленности верхней части совпадут с максимумами диаграммы направленности нижней части, что в сумме дает равномерную диаграмму направленности в плоскости Н в более широком диапазоне, чем у известной антенны.

О том, что этот положительный эффект реализуется на практике, свидетельствуют экспериментальные данные, приведенные на фиг.4. Равномерная ДН в плоскости Н у предлагаемой антенны сохраняется в диапазоне 193-1200 МГц (КБ > 0,3, начиная с частоты 193 МГц и выше). Отношение крайних частот рабочего диапазона предложенной антенны
= > 6,2 .

При одинаковых размерах известной и предложенной антенн рабочий диапазон расширен не только в сторону высоких, но и в сторону низких частот. Сдвиг в сторону низких частот в предлагаемом устройстве с частоты 233 МГц до 193 МГЦ обусловлен удлинением шунтов, т.е. за счет увеличения их индуктивности.

Так как минимальные размеры антенны определяются максимальной длиной волны (λ_max), то при одинаковых значениях λ_max предложенная антенна может быть выполнена в = 1.21 раза (т.е. на 17,5%) меньше по габаритам, чем известная антенна.

Таким образом, предложенное устройство по сравнению с известным имеет почти в 2 раза более широкий диапазон и на 18% меньшие габариты.

Положительный эффект заключается в том, что предложенная антенна может заменить на подвижном объекте две-три антенны. Кроме того, одну антенну легче разместить на подвижном объекте и не ухудшить ее характеристики, чем две или три антенны.

Благодаря высоким электрическим характеристикам и малым размерам антенна может найти широкое применение на судах в качестве многоцелевой совмещенной антенны ОВЧ-УВЧ-диапазона для радиосвязи с другими судами и самолетами.

Использование: широкодиапазонные антенны ОВЧ-УВЧ-диапазона, например, для судовых систем радиосвязи. Сущность изобретения: в биконической антенне шунты, соединяющие кромки основания конусов, состоят из отрезков проводников, выполненных из двух равных частей. Верхние части смещены относительно нижних на угол 360/2N, где N - число шунтов, и соединены между собой проводящими перемычками, расположенными в плоскости, проходящей через общую вершину конусов перпендикулярно их оси. 4 ил.

БИКОНИЧЕСКАЯ АНТЕННА, содержащая N шунтов, выполненных в виде отрезков проводника, соединяющих кромки оснований конусов, отличающаяся тем, что, с целью расширения рабочего диапазона частот, отрезки проводника выполнены из двух равных частей, смещенных одна относительно другой на угол α = 360 / 2N , расположенных с равным угловым смещением вокруг оси конусов и соединенных одна с другой посредством введенных проводящих перемычек, размещенных в плоскости, проходящей через вершину конусов перпендикулярно их оси.