АНТЕННА Российский патент 1995 года по МПК H01Q9/18 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для работы с широкополосными радиопередающими устройствами.

Известна антенна, содержащая верхний и нижний коллинеарные стержни и соосные с ними цилиндрическую спираль, диэлектрический цилиндр и проводящую трубу, выполненную из нижнего, среднего и верхнего отрезков, причем нижний отрезок имеет электрический контакт с проводящей плоскостью [1]
В диапазоне нижних частот антенна работает как вибратор с включенной в его центральную часть удлиняющей катушкой индуктивности, в качестве которой используется цилиндрическая спираль.

В диапазоне верхних частот антенна работает как антенна верхнего питания и на верхней частоте рабочего диапазона (длина волны λ_мин) представляет собой полуволновый штырь, установленный на четвертьволновой колонке.

Конфигурация антенны, размеры ее элементов, цилиндрическая спираль обеспечивают согласование антенны с коаксиальным фидером в шестикратном диапазоне волн с КБВ не менее 0,4.

Ее недостатки:
в области нижних частот верхний стержень практически не участвует в процессе излучения, так как на этих частотах сопротивления емкостных зазоров между этим стержнем и соответственно нижним стержнем, цилиндрической спиралью и верхним отрезком проводящей трубы составляют значительную величину. Это ограничивает широкополосность антенны в области нижних частот, причем максимальная рабочая длина волны антенны λ_макс должна составлять не более 8L, где L длина антенны;
в области верхних частот широкополосность антенны ограничена из-за наличия в ее составе, как и в антенне [1] коаксиальной линии питания, образованной нижним стержнем и внутренними поверхностями нижнего и среднего отрезков проводящей трубы. При этом минимальная рабочая длина волны антенны λ_мин должна составлять не менее 1,33L.

Таким образом, антенна-прототип имеет ограничения по широкополосности в области нижних и верхних частот.

В связи с этим поставленной технической задачей является увеличение широкополосности антенны в области нижних и верхних частот.

Ее решение достигается тем, что в антенну введены дополнительная катушка индуктивности и согласующий блок. Это позволяет увеличить широкополосность антенны в области нижних частот за счет возбуждения верхнего стержня и удлиняющего действия согласующего блока, а также позволяет увеличит широкополосность антенны в области верхних частот за счет улучшения входного согласования антенны с помощью согласующего блока и улучшением возбуждения верхнего отрезка проводящей трубы.

На фиг. 1 показана предлагаемая антенна; на фиг. 2 схема согласующего блока; на фиг. 3 схема предлагаемой антенны для области нижних частот; на фиг. 4 схема предлагаемой антенны для области верхних частот.

Предлагаемая антенна состоит из верхнего 1 и нижнего 2 коллинеарных стержней (фиг. 1) и соосных с ними цилиндрической спирали 3, диэлектрического цилиндра 4 и проводящей трубы, выполненной из отрезков: нижнего 5, среднего 6 и верхнего 7. Верхний конец спирали 3 соединен с нижним краем верхнего отрезка 7. Нижний отрезок 5 трубы имеет электрический контакт с проводящей поверхностью, на которой установлена антенна.

К верхнему стержню 1 и верхнему краю верхнего отрезка 7 подключена своими выводами дополнительная катушка индуктивности 8, величина которой выбирается в пределах 0,25-0,5 индуктивности цилиндрической спирали.

Во внутренней полости среднего отрезка 6 проводящей трубы размещен согласующий блок 9, причем вход согласующего блока соединен с верхним концом нижнего стержня 2, а выход согласующего блока соединен с нижним концом цилиндрической спирали 3. В качестве второго (нулевого) провода согласующего блока используется внутpенняя поверхность среднего отрезка 5 проводящей трубы.

Согласующий блок 9 выполнен в виде лестничной электрической схемы 10 (фиг. 2) из индуктивностей и емкостей 11. На фиг. 2 приведена схема, содержащая пять таких элементов.

Общая длина антенны L составляет 0,1 λ_макс.

Минимальная рабочая длина волны антенны λ_мин составляет не менее 0,95L.

Диаметр антенны составляет 0,00144 λ_макс, длины нижнего 5, среднего 6 и верхнего 7 отрезков проводящей трубы составляют соответственно 0,016 λ_макс, 0,016 λ_макс и 0,0375 λ_макс. Высота цилиндрической спирали составляет 0,0136 λ_макс, ширина кольцевой щели между отрезками 5 и 6 составляет 0,00136 λ_макс.

Длина верхнего стержня составляет 0,0616 λ_макс, длина нижнего стержня составляет 0,0375 λ_макс.

Указанные размеры позволяют обеспечить возбуждение антенны в областях нижних и верхних частот в нижней и верхней точках питания с одновременным обеспечением высокого уровня входного КБВ.

Предлагаемая антенна работает следующим образом.

На нижних частотах рабочего диапазона имеют значительную величину сопротивления емкостных зазоров между верхним и нижним стержнями 1 и 2 (фиг. 1), а также между нижним и средним отрезками 5 и 6 проводящей трубы. Следовательно, антенна на этих частотах представляет собой вибратор, составленный из двух плеч (верхнего и нижнего) с индуктивной нагрузкой цилиндрической спиралью между ними и снабженный кольцевым индуктивным шлейфом из среднего отрезка 6 проводящей трубы. Нижним плечом этого вибратора являются нижний отрезок 5 проводящей трубы и выступающая из него часть нижнего стержня 2 (фиг. 3). Верхним плечом этого вибратора у антенны-прототипа является верхний отрезок 7 проводящей трубы. Введение дополнительной катушки 8 с индуктивностью определенной величины позволяет в предлагаемой антенне увеличить длину верхнего плеча на длину отрезка верхнего стержня 1, выступающего из отрезка 7 проводящей трубы (фиг. 3). Кроме того, дополнительная катушка индуктивности совместно с цилиндрической спиралью осуществляет настройку вибратора на нижние частоты рабочего диапазона.

Ввиду значительного сопротивления емкостного зазора между нижним и средним отрезками 5 и 6 проводящей трубы второй (нулевой) провод согласующего блока 9 оказывается разорванным, в связи с чем согласующий блок 9 в области нижних частот выполняет функции не согласования, а удлинения излучателя. При этом элементы блока, включенные в его продольную ветвь, удлиняют нижний стержень 2, а элементы, включенные в поперечные ветви, улучшают возбуждение кольцевого индуктивного шлейфа отрезка 6 (фиг. 3).

Таким образом, совместное действие дополнительной катушки индуктивности и элементов согласующего блока позволяет увеличить широкополосность предлагаемой антенны в области нижних частот до λ_макс10L.

В области верхних частот рабочего диапазона имеют малую величину сопротивления емкостных зазоров между верхним стержнем 1 и выходным проводом согласующего блока 9 (фиг. 1), а также между нижним и средним отрезками 5 и 6 проводящей трубы. Следовательно, на этих частотах антенна представляет собой антенну верхнего питания, составленную из двух плеч. Нижнее плечо, в свою очередь, составлено из отрезков 5 и 6 проводящей тубы, а верхним плечом является верхний стержень 1, снабженный кольцевым индуктивным шлейфом из верхнего отрезка 7 проводящей трубы (фиг. 4). Соотношение длин верхнего и нижнего плеч составляет 2:1. Известно, что при таком соотношении длин антенна сохраняет оптимальную форму диаграммы направленности с прижатым к поверхности земли главным лепестком примерно до длины волны λ_мин ≥ 0,951. Однако в антенне-прототипе частотный диапазон ограничен длиной волны λ_мин 1,33L из-за наличия встроенной в нижнее плечо коаксиальной линии питания, образованной нижним стержнем 2 и внутренними поверхностями нижнего и среднего отрезков 5 и 6 проводящей трубы. Введение согласующего блока, осуществляющего в области верхних частот широкополосное согласование, позволяет расширить рабочий диапазон антенны до длины волны λ_мин ≥ 0,95L. Методы синтеза таких широкополосных согласующих блоков, реализуемых в виде лестничных электрических схем (фиг. 2), в большинстве своем основываются на оптимизации характеристик этих схем с помощью ЭВМ.

Дополнительная катушка индуктивности улучшает возбуждение кольцевого индуктивного шлейфа-отрезка 7, что способствует расширению широкополосности антенны в этой области частот.

Таким образом, совместное действие согласующего блока и дополнительной катушки индуктивности позволяет увеличить широкополосность предлагаемой антенны в области верхних частот до λ_мин ≥ 0,95L.

Использование: широкополосные радиопередающие устройства. Сущность изобретения: антенна содержит нижний и верхний коллинеарные стержни и соосные с ними цилиндрическую спираль, диэлектрический цилиндр и проводящую трубу, выполненную из нижнего, среднего и верхнего отрезков. Между верхним стержнем и верхним концом верхнего отрезка проводящей среды включена дополнительная катушка индуктивности. Во внутренней полости среднего отрезка проводящей среды размещен согласующий блок. Определены размеры всех элементов антенны, величина индуктивности дополнительной катушки, схемная реализация согласующего блока, позволяющие повысить широкополосность антенны в областях нижних и верхних частот. 4 ил.

АНТЕННА, содержащая верхний и нижний коллинеарные стержни и соосные с ними цилиндрическую спираль, диэлектричский цилиндр и проводящую трубу, выполненную из нижнего, среднего и верхнего отрезков, отличающаяся тем, что введены катушка индуктивности и согласующий блок, причем катушка индуктивности своими выводами соединена с верхним стержнем верхним концом верхнего отрезка проводящей трубы, величина индуктивности катушки индуктивности выбрана в пределах 0,25 0,5 от индуктивности цилиндрической спирали, а согласующий блок размещен во внутренней полости среднего отрезка проводящей трубы и выполнен в виде лестничной электрической схемы из индуктивностей и емкостей, причем вход согласующего блока соединен с верхним концом нижнего стержня, а выход согласующего блока соединен с нижним концом цилиндрической спирали, при этом длина антенны
L=0,1λ_max и λ_min≥ 0,95 L,
где λ_max, λ_min соответственно максимальная и минимальная рабочие длины волн антенны.