АНТЕННА Российский патент 1995 года по МПК H01Q9/18 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в малогабаритных вибраторных антеннах для ведения радиосвязи, навигации в совмещенных рабочих диапазонах: СВ-КВ, КВ-УКВ, УКВ-ДЦВ.

Известны конструкции антенн с включенными в разрыв токоведущего вибратора или имеющими с ним гальванический контакт активными сопротивлениями.

Недостатком конструкций является значительная геометрическая длина: в 2-3 раза больше, чем у обычных вибраторных антенн и малый КПД: 40-50%
В известных конструкциях антенн их электрическая длина ограничена максимальной геометрической длиной токоведущего вибратора, кроме того, они имеют сложную конструкцию, крупногабаритные размеры и низкую надежность, что затрудняет их практическое применение.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой конструкции является антенна, содержащая цилиндрический токоведущий вибратор, во внутренней полости которого вдоль осевой длины расположена цилиндрическая спираль, гальванически разомкнутая на концах с вибратором, соединенная верхним концом с основанием металлического штыря, установленного на вершине вибратора.

Недостатком конструкции является малая величина электрического удлинения токоведущего вибратора и соответственно высокий уровень КСВН на входе антенны в диапазоне более длинных волн, кроме того, в конструкции не обеспечено регулирование электрической длины токоведущего вибратора в зависимости от рабочей частоты, вследствие чего на частотах параллельного резонанса увеличивается входное сопротивление (R_вх), что вызывает уменьшение входного тока (I_вх).

Указанные недостатки нежелательны, так как уменьшают функциональные возможности малогабаритной геометрически короткой антенны: высокий уровень КСВН ведет к искажению сигнала при прохождении через антенну; уменьшение входного тока при неизменном напряжении возбуждающего генератора уменьшает зону уверенного приема информации и соответственно надежность радиосвязи.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей геометрически короткой антенны за счет дополнительного увеличения электрической длины, улучшения согласования с волновым сопротивлением коаксиального фидера в диапазоне рабочих частот и внутренним сопротивлением радиоустройства, дополнительного увеличения входного тока на рабочих частотах, что позволит увеличить эффективность работы эксплуатационного радиооборудования и уменьшить количество антенн на объектах, согласующих устройств, устройств коммутации.

Это достигается тем, что в антенну, содержащую вибратор, установленный над горизонтальным заземленным экраном и выполненный в виде стеклопластиковой цилиндрической трубы с токоведущими проводниками, которые соединены посредством проводящего элемента с центральным проводником коаксиального фидера, внешний проводник которого подсоединен к заземленному экрану, и проводящую цилиндрическую спираль с равномерной намоткой, установленную внутри вибратора по его оси и присоединенную первым концом к основанию металлического штыря, установленного на вершине вибратора, введено безындукционное активное сопротивление, равное волновому сопротивлению коаксиального фидера и включенное между вторым концом проводящей цилиндрической спирали и заземленным экраном, а проводящий элемент выполнен в виде дополнительного отрезка коаксиального фидера с внешним проводником, образованным двумя цилиндрами длиной 0,07λ_в каждый, которые изолированы один от другого и расположены вдоль центрального проводника длиной 0,15 λ_в, подключенного одним концом к вибратору, а другим к центральному проводнику коаксиального фидера, внешний проводник которого соединен с кромкой первого цилиндра, при этом кромка второго цилиндра, обращенная к разомкнутой кромке первого цилиндра, соединена с вторым концом проводящей цилиндрической спирали, где λ_в длина волны верхней рабочей частоты.

Кроме того, введены n дополнительных проводников с изоляционным покрытием и длиной равной (0,25˙ λ_н 0,5˙ λ_в ), которые расположены внутри проводящей цилиндрической спирали и соединены на одном конце с безындукционным активным сопротивлением, при этом диаметр поперечного сечения каждого дополнительного проводника равен диаметру проводника, образующего проводящую цилиндрическую спираль, а расстояние между ними равно их диаметру, где λ_н длина волны нижней рабочей частоты, n 1,2,3.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая конструкция антенны отличается геометрическими параметрами цилиндрической спирали, выбранными в соответствии диапазона рабочих частот и диаметра поперечного сечения проводника; введенными дополнительно элементами с выбранными геометрическими размерами; электрическими соединениями и электромагнитными связями элементов продукции.

Это позволяет сделать вывод, что заявляемая конструкция антенны соответствует критерию "новизна".

Сравнение заявляемого технического решения с известными техническими решениями показывает: известна теория связанных вибраторов, один из которых является пассивным (Надененко С.И. Антенны. М. Связьиздат, 1959, с. 137-139); известна теория петлевых антенн, например шлейф-вибратор Пистолькорса (Овсянников В. В. Вибраторные антенны с реактивными нагрузками. М. Радио и связь, 1985, стр. 16-20); известна теория вертикальных антенн с емкостной нагрузкой наверху (Надененко С.И. Антенны. М. Связьиздат, 1959, с. 280-285).

Однако введение указанных элементов, выбранные геометрические параметры и соотношения, выбранное расположение элементов относительно друг друга и электрические соединения обеспечивают заявляемой конструкции проявление новых свойств: режим бегущей волны, способствующий расширению диапазона рабочих частот антенны обеспечен пассивным проводником, соединенным с заземленным экраном посредством безындукционного активного сопротивления, равного по номиналу внутреннему сопротивлению радиоустройства; эквивалентное электрическое удлинение токоведущего вибратора соответственно рабочей частоте равно сумме геометрической длины вибратора и геометрической длины соединенного с заземленным экраном пассивного проводника, при этом входное сопротивление антенны на рабочей частоте дополнительного последовательного резонанса равно номиналу безындукционного активного сопротивления и внутреннего сопротивления радиоустройства; регулирование электрической длиной токоведущего вибратора, имеющего постоянную длину, соответственно рабочей частоте. Это позволяет сделать вывод, что заявляемое техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 показан пример выполнения предлагаемой конструкции антенны и приведены оптимальные геометрические размеры приемнопередающей антенны для совмещенного диапазона рабочих частот СВ-КВ: 0,4 30 МГц по уровню КСВН ≅ 3,0; на фиг. 2 изображена: частотная зависимость КСВН, измеренное в основании антенны прототипа (1) и предложенной конструкции (2 с элементами 2, 6, 3 с элементами 2, 3, 6, 7).

В таблице приведены данные измерений поля излучения (напряженности поля Е) металлического штыря Н=6 м предложенной конструкции.

Антенна (см. фиг. 1) содержит токоведущий цилиндрический вибратор 1 геометрической длиной 5000 м (0,5 λ_в ), выполненный в виде, например, стеклопластиковой трубы внешним диаметром 25 мм, внутренним диаметром 20 мм, содержащий заармированную вдоль боковой поверхности металлическую оплетку, цилиндрическую спираль 2, выполненную в виде равномерной намотки медного провода с эмалевым покрытием диаметром поперечного сечения 1,0 мм, шагом намотки 3,0 мм, диаметром витка 10 мм, геометрическая длина провода выбрана с учетом реального выполнения и обеспечения широкополосности в область более низких частот: СВ диапазона, нижняя рабочая частота f_н 1,0 МГц, 0,25 λ_н=75 000 мм, длина провода 75000 мм 5000 мм 70000 мм, осевая длина 5600 мм, штыри 3, выполненные из медного провода с эмалевым покрытием диаметром 1,0 мм, геометрической длиной (l):
1. f' 1,0х4=4 МГц, 0,25 λ^I= 18000 мм, l'=18000 мм 5000 мм 13000 мм, выполнен в виде совмещенной конструкции штыря 5000 мм и цилиндрической спирали шагом намотки 3,0 мм, диаметром витка 10 мм, общая осевая длина 5600 мм.

2. f'' 1,0х8=8 МГц, 0,25 λ^II= 9500 мм, l''=9500 мм 5000 мм 4500 мм.

3. f'''=1,0х12=12 МГц, 0,25 λ^III6000 мм, l'''=6000 мм 5000 мм 1000 мм.

Кроме того, антенна содержит стеклопластиковую трубу 4 геометрической длиной 15000 мм (0,15 λ_в), внутренним диаметром 80 мм, внешним диаметром 90 мм, заармированный в основании проводящий цилиндр, выполнен из листовой латуни геометрической длиной 1000 мм (0,1 λ_в) с опорным фланцем 5 из легированной стали, безындукционное активное сопротивление 6 типа МОУ 200, ОЖО. 467.026 ТУ, номиналом, например, 75 Ом, установленное во внутренней полости стеклопластиковой трубы 4, имеющей гальванический контакт одним концом с элементами 2, 3 и нижней кромкой верхнего цилиндра, другим концом с донной частью опорного фланца 5, антенный ввод 7 геометрической длиной 1500 мм (0,15 λ_в), выполненной из отрезка коаксиального кабеля, например, РК 75-24-13, волновым сопротивлением 75 Ом, внешний цилиндрический провод в основании имеет гальванический контакт с донной частью опорного фланца 5 и выполнен в виде двух цилиндров геометрической длиной 700 мм, продольная длина поперечного разреза в пределах 20 мм, центральный провод антенного ввода 7 имеет гальванический контакт с металлической оплеткой вибратора 1 и центральным проводником высокочастотного разъема, установленным в донной части опорного фланца 5.

Антенна работает следующим образом, например в передающем режиме; входное напряжение генератора 8 подводится по коаксиальному фидеру и распространяется по коаксиальной линии антенного ввода 7 к излучающему вибратору 1 (см. фиг. 1). Бегущая электромагнитная волна типа ТЕМ распространяется между внутренними поверхностями двух цилиндров антенного ввода 7; подключенный к заземленному экрану посредством активного сопротивления 6 верхний цилиндр антенного ввода дополнительно уменьшает КСВН в полосе частот вибратора 1 без элементов 2 и 3 и приподнимает точку питания вибратора 1 на высоту 0,15 λ_в. Стоячая вода тока рабочей частоты возбуждает верхние части системы пассивных проводников: элементов 2 и 3, вдоль пассивных проводников от верхней части к заземленному экрану распространяется бегущая волна тока той же рабочей частоты, имеющая малый коэффициент отражения от заземленного экрана в случае, если суммарный путь тока эквивалентен 0,25 длины волны рабочей частоты. Вследствие чего входное сопротивление антенны имеет многорезонансный характер, активная составляющая входного сопротивления (R) в пределах номинала активного сопротивления 6.

На верхних рабочих частотах в пределах 0,5 λ_в антенна работает как полуволновый вибратор, который за счет конструкции антенного ввода 7 и элементов 2, 3, 6 имеет более равномерное распределение тока вдоль геометрической длины (см. фиг. 2).

Экспериментально установлено, что предложенная конструкция антенны сохраняет электродинамические характеристики в варианте установки вибратора 1 параллельно горизонтальному экрану, что было использовано при разработке антенны для глубоководных аппаратов.

Экспериментальные исследования (см. фиг. 2) показали, что по сравнению с антеннами аналогичного назначения предложенная конструкция в четыре раза меньше по массогабаритным размерам, имеет более широкий диапазон рабочих частот, более высокий КПД, кроме того, заменяет две антенны: АМС-17 и ШПА-11-2.

Использование: для ведения радиосвязи, навигации. Сущность изобретения: устройство содержит вибратор, установленный над горизонтальным заземленным экраном и выполненный в виде трубы. Токоведущие проводники соединены с центральным проводником коаксиального фидера, внешний проводник которого соединен с заземленным экраном. Внутри вибратора по его оси установлена проводящая цилиндрическая спираль, которая соединена с основанием металлического штыря, установленного на вершине вибратора. Между проводящей цилиндрической спиралью и заземленным экраном включено безындукционное активное сопротивление. Проводящий элемент выполнен в виде дополнительного отрезка коаксиального фидера с внешним проводником, образованным двумя цилиндрами равной длины. Дополнительные проводники с изоляционным покрытием расположены внутри проводящей цилиндрической спирали и соединены на одном конце с безындукционным активным сопротивлением. Приведены относительные размеры элементов устройства. 2 ил. 1 табл.

1. АНТЕННА, содержащая вибратор, установленный над горизонтальным заземленным экраном и выполненный в виде стеклопластиковой цилиндрической трубы с токоведущими проводниками, которые соединены посредством проводящего элемента с центральным проводником коаксиального фидера, внешний проводник которого подсоединен к заземленному экрану, и проводящую цилиндрическую спираль с равномерной намоткой, установленную внутри вибратора по его оси и присоединенную первым концом к основанию металлического штыря, установленного на вершине вибратора, отличающаяся тем, что введено безиндукционное активное сопротивление, равное волновому сопротивлению коаксиального фидера и включенное между вторым концом проводящей циклической спирали и заземленным экраном, а проводящий элемент выполнен в виде дополнительного отрезка коаксиального фидера с внешним проводником, образованным двумя цилиндрами длиной 0,07·λ_в каждый, которые изолированы один от другого и расположены вдоль центрального проводника длиной 0,15·λ_в, подключенного одним концом к вибратору, а другим к центральному проводнику коаксиального фидера, внешний проводник которого соединен с кромкой первого цилиндра, при этом кромка второго цилиндра, обращенная к разомкнутой кромке первого цилиндра, соединена с вторым концом проводящей цилиндрической спирали, где λ_в- длина волны верхней рабочей частоты. 2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что введены n дополнительных проводников с изоляционным покрытием и длиной, равной (0,25·λ_н-0,5·λ_в), которые расположены внутри проводящей цилиндрической спирали и соединены на одном конце с безиндукционным активным сопротивлением, при этом диаметр поперечного сечения каждого дополнительного проводника равен диаметру проводника, образующего проводящую цилиндрическую спираль, а расстояние между ними равно их диаметру, где λ_н- длина волны нижней рабочей частоты, n 1, 2, 3,