АНТЕННА ВЕРХНЕГО ПИТАНИЯ Российский патент 1996 года по МПК H01Q1/36 

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для работы с широкополосными радиопередающими устройствами.

Антенна широкополосна и проста по конструкции, ввиду чего она может найти применение в широкополосных радиопередающих комплексах связи, устанавливаемых на подвижных объектах, в том числе малогабаритных.

Известна вибраторная антенна верхнего питания [1] состоящая из верхнего и нижнего вертикальных излучателей, причем нижний излучатель имеет гальванический контакт с горизонтальным экраном. Антенна возбуждается в центре с помощью линии передачи, размещенной во внутренней полости нижнего излучателя, при этом внутренний проводник линии передачи соединен с верхним излучателем.

Антенна проста и механически прочна, обладает большей, чем у штыревых антенн, широкополосностью по диаграммам направленности (ДН) [1,2]
Так, у штыревых антенн отрыв главного лепестка ДН от земли наблюдается уже при длине рабочей волны λ=1,6L(L/λ=0,625), где L высота антенны, а у вибраторной антенны верхнего питания в зависимости от соотношения между длинами излучателей при λ=(0,926÷0,97)L. Например, при отношении длин верхнего и нижнего излучателей около 3:1 антенна высотой 10,7 11,2 м обеспечивает оптимальную форму ДН с прижатым к поверхности земли главным лепестком в стандартном коротковолновом диапазоне 1,5 30 МГц.

В то же время такая антенна является резонансной и для ее работы в широкой полосе частот (например, 1,5 30 МГц) необходимо использовать подантенное широкополосное согласующее устройство. Однако наличие встроенной линии передачи существенно ухудшает условия широкополосного согласования, особенно в области нижних частот (малых электрических длин, где L/λ=0,05÷0,2). При этом эффективное согласование, по крайней мере в области нижних частот, может осуществляться только резонансным согласующим устройством, что не позволяет использовать антенну совместно с широкополосными радиопередающими устройствами.

Указанные качества отсутствуют в антенне верхнего питания [3] излучатель которой состоит из вертикального проводника, установленного посредством изолятора на трубчатом основании, имеющем гальванический контакт с горизонтальным экраном.

Внутри трубчатого основания размещен согласующий блок, который подключен непосредственно к точкам возбуждения излучателя (без дополнительной линии передачи, имеющейся в антенне [1] и ухудшающей условия согласования). Ко входу согласующего блока присоединена входная линия передачи, которая может быть выполнена из радиочастотного кабеля или образована внутренней поверхностью трубчатого основания и дополнительным центральным проводником.

Согласующий блок включает в себя нижнечастотное и верхнечастотное согласующее устройства с элементами коммутации и осуществляет в диапазоне верхних частот (длины волн 5L÷λ_min) широкополосное согласование, а в диапазоне нижних частот (длины волн 20Z÷5L) резонансное согласование.

Соосно с вертикальным проводником размещены цилиндрические проводники, имеющие с ним гальванический контакт и служащие для улучшения электрических характеристик антенны в диапазоне верхних частот. Число таких проводников не превышает трех. Использование одного цилиндрического проводника позволяет расширить рабочий диапазон частот антенны до ДН в сторону верхних частот до λмин > 0,8Z вместо λмин > (0,926÷0,97)L, как у антенны [1] Использование двух-трех проводников позволяет дополнительно повысить уровень входного КБВ антенны в области верхних частот.

В области нижних частот цилиндрические проводники являются фактически индуктивностями малой величины, несколько увеличивающими электрическую длину вертикального проводника, что в определенной степени улучшает условия нижнечастотного согласования.

Такая антенна по техническому решению наиболее близка к заявляемой антенне и может быть выбрана в качестве антенны-прототипа.

Необходимо отметить, что антенна-прототип и в варианте без цилиндрических проводников сохраняет свою работоспособность, обеспечивая в диапазоне верхних частот уровень входного КБВ не хуже 0,2 0,25. При этом в диапазоне нижних частот условия согласования практически такие же и в варианте с цилиндрическими проводниками. Верхнечастотные характеристики антенны-прототипа без цилиндрических проводников приведены на фиг.5 в Протоколе N 1 экспериментальных испытаний антенны К667-001М, прилагаемом к настоящему описанию.

Однако антенна-прототип имеет характеристики, препятствующие получению требуемого технического результата, а именно:
1) в области нижних частот в антенне-прототипе с необходимой эффективностью может быть осуществлено только резонансное согласование. На фиг.6 в Протоколе N 1 приведены частотные характеристики входных сопротивлений на входе излучателя антенны-прототипа и на входе встроенного в антенну-прототип верхнечастотного согласующего устройства при отключении его поперечных ветвей. Из графиков видно, что антенна-прототип в диапазоне нижних частот обладает значительной реактивностью (большой добротностью), при этом удлиняющее действие продольной ветви верхнечастотного согласующего устройства сказывается слабо.

Анализ характеристик, проведенный по [4,5] показывает, что широкополосное согласующее устройство, работающее на такую нагрузку, должно иметь не менее десяти полос согласования, чтобы достичь уровня КБВ≥ 0,1, необходимого для нормальной работы широкополосного радиопередатчика. Устройство с таким числом переключаемых полос трудно реализовать практически. Необходимо также отметить низкий коэффициент действия (КПД) такого устройства. Например, на частоте 1,5 МГц активная часть входного сопротивления излучателя антенны-прототипа составляет 1,5 Ом, а потери в первой от входа излучателя индуктивности согласующего устройства составляют 5^oC10 Ом (добротность индуктивности 100-200). При этом КПД составляет 0,13-0,25.

2) Согласующий блок, выполненный в виде комбинации верхнечастотного и низкочастотного согласующих устройств, встроенных в антенну, получается сложным и громоздким. Наличие переключателей в теле антенны снижает ее прочность и надежность. С другой стороны, поперечные ветви верхнечастотного согласующего устройства в диапазоне нижних частот необходимо отключать. На фиг. 7 в Протоколе N 1 представлено входное сопротивление антенны в варианте без отключения поперечных ветвей.

Необходимо отметить существенное снижение активной части входного сопротивления антенны до 0,35 Ом на частоте 1,5 МГц, что препятствует ее широкополосному согласованию.

Таким образом, антенна-прототип не может обеспечить функционирование радиопередающего устройства в области нижних частот, имеет сложную и труднореализуемую конструкцию.

В связи с этим целью изобретения является создание антенны верхнего питания с увеличением широкополосности в области нижних частот и простой конструкции.

Цель изобретения достигается тем, что в антенну, содержащую вертикальный проводник длиной l_в.п., трубчатое основание, изолятор между ними, согласующий блок, состоящий из нижнечастотного и верхнечастотного согласующих устройств, входную линию передачи и установленную на горизонтальном экране дополнительно между этим экраном и трубчатым основанием введены изолятор и выключатель, нижнечастотное согласующее устройство согласующего блока вынесено из внутренней полости трубчатого основания, установлено на горизонтальном экране и связано с входной линией передачи антенны отрезком линии связи, при этом входная линия передачи образована внутренней поверхностью трубчатого основания и дополнительным центральным проводником. Электрическая длина вертикального проводника l_в.п.э. в диапазоне нижних частот выбирается из условия
l_в.п.э≥ l_в.п/λ₁
где λ рабочая длина волны, лежащая в пределах диапазона нижних частот. При этом радиус трубчатого основания r_осн. выбирается в пределах от 1/300 до 1/60 от длины антенны L, а радиус вертикального проводника r_в.п. выбирается в пределах от 1/1200 до 1/200 от длины антенны L.

Вновь введенная совокупность признаков позволяет реализовать следующий прием: введение изолятора и выключателя позволяет в диапазоне нижних частот (20L^oC5L) перевести антенну из режима верхнего питания в режим нижнего питания, разрывая для этой цели гальванический контакт трубчатого основания и горизонтального экрана. Трубчатое основание совместно с элементами встроенного в него верхнечастотного согласующего устройства обеспечивает "удлинение" антенны, уменьшая ее добротность и улучшая тем самым условия широкополосного согласования, которое осуществляется нижнечастотным согласующим устройством. Вынос этого устройства из тела антенны и выбор оптимальным образом размеров элементов антенны позволяет существенно упростить антенну, повысить ее надежность и механическую прочность.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображено:
фиг.1 предлагаемая антенна;
фиг.2 верхнечастотное согласующее устройство;
фиг.3 реализация верхнечастотного согласующего устройства;
фиг.4 нижнечастотное согласующее устройство;
фиг.5 схема предлагаемой антенны для диапазона верхних частот;
фиг.6 частотные характеристики КБВ предлагаемой антенны;
фиг.7 схема излучателя предлагаемой антенны для диапазона нижних частот;
фиг. 8 частотные характеристики входных сопротивлений предлагаемой антенны и антенны-прототипа;
фиг.9 схема предлагаемой антенны для диапазона нижних частот.

Предлагаемая антенна состоит из вертикального проводника 1 (фиг.1), трубчатого основания 2, изолятора 3 между ними, нижнечастотного 4 и верхнечастотного 5 согласующих устройств, выключателя 6. Входная линия передачи образована внутренней поверхностью трубчатого основания 2 и дополнительным центральным проводником 7. Трубчатое основание 2 с помощью изолятора 8 установлено на горизонтальном экране 9. Согласующее устройство 4 соединено с центральным проводником 7 входной линии передачи с помощью отрезка линии связи 10.

Верхнечастотное согласующее устройство 5 выполняется в виде лестничной электрической цепи 11 (фиг.2), в продольные и поперечные ветви которой включены двухполюсники 12 из индуктивностей и емкостей и может быть реализовано, например, по схеме ФНЧ (фиг.3).

Нижнечастотное согласующее устройство 4 включает в себя лестничную электрическую цепь 13 (фиг. 4), отрезок радиочастотной линии обхода 14 и два переключателя 15, 16. В продольные и поперечные ветви цепи 13 включены двухполюсники 17 из дискретно регулируемых индуктивностей и емкостей. Радиочастотная линия обхода 14 может быть выполнена как коаксиальной, так и однопроводной несимметричной.

Общая длина антенны L составляет 0,05 от максимальной рабочей длины волны l_max.

Соотношение длин вертикального проводника l_в.п. и трубчатого основания l_осн. лежит в пределах от 4:1 до 3:1, что необходимо для получения оптимальных по форме ДН в максимально широком диапазоне частот. При этом при использовании в качестве вертикального проводника гладкого штыря минимальная рабочая длина волны λ_min составляет (0,926-0,97) L При включении в вертикальный проводник корректирующих нагрузок рабочий диапазон частот по ДН может быть расширен в сторону верхних частот. Использование цилиндрических короткозамкнутых проводников, как в антенне-прототипе, позволяет уменьшить λ_min до величины 0,8 L. В качестве корректирующих нагрузок могут быть использованы, например, параллельные LC-контуры, обеспечивающие такую же величину λ_min
Для достижения цели изобретения в части расширения широкополосности в диапазоне нижних частот электрическая длина вертикального проводника l_в.п. выбирается из условия:
l_в.п.э≥ l_в.п/λ₁
где λ рабочая длина волны, лежащая в пределах диапазона нижних частот.

Для выполнения этого условия корректирующие нагрузки в диапазоне нижних частот должны обладать индуктивным характером своего входного сопротивления.

Радиус трубчатого основания r_осн. выбирается в пределах от 1/300 до 1/60 от длины антенны L, радиус вертикального проводника r_в.п. выбирается в пределах от 1/1200 до 1/200 от длины антенны L, при этом возможность утоньшения вертикального проводника и трубчатого основания по сравнению с антенной-прототипом обусловлена удлиняющим действием трубчатого основания и встроенного верхнечастотного согласующего устройства в диапазоне нижних частот.

Предлагаемая антенна работает следующим образом. В диапазоне верхних частот (длины волн 5L÷λ_min) контакты выключателя 6 замкнуты, что обеспечивает гальванический контакт трубчатого основания 2 с горизонтальным экраном 9 (фиг. 5). Центральные контакты переключателей 15, 16 замкнуты в положение "а", что позволяет включить в состав радиотракта радиочастотную линию обхода 14, отключив одновременно лестничную электрическую цепь 13. Возбуждение излучателя антенны при этом осуществляется через переключатель 15, радиочастотную линию обхода 14, переключатель 16, отрезок линии связи 10, центральный проводник 7 и верхнечастотное согласующее устройство 5, осуществляющее в этом диапазоне широкополосное согласование. Методы синтеза таких устройств, реализуемых в виде лестничных цепей (фиг. 2,3), изложены в общедоступной литературе [5,6] и в большинстве своем основываются на оптимизации характеристик этих цепей с помощью ЭВМ. Частотная характеристика КБВ в этом диапазоне имеет вид кривой 18, фиг 6 (см.также Протокол N 1, рис.5).

При использовании в качестве вертикального проводника гладкого штыря λ_min составляет (0,926^oC0,97) L. При включении в вертикальный проводник корректирующих нагрузок рабочий диапазон длин волн может быть расширен до λ_min > 0,8L.
Для выполнения цели изобретения эти нагрузки в диапазоне частот должны по крайней мере не уменьшать электрическую длину вертикального проводника, т.е. обладать в этом диапазоне частот индуктивным сопротивлением. В качестве таких нагрузок могут быть использованы короткозамкнутые цилиндрические проводники (как в антенне-прототипе), параллельные LC-контуры и т.п. цели.

В диапазоне нижних частот (длины волн 20L^oC5L) контакты выключателя 6 разомкнуты, вследствие чего разрывается гальванический контакт трубчатого основания 2 с горизонтальным экраном 9 и излучатель антенны переводится в режим нижнего питания (фиг.7). В этом режиме излучатель составлен из вертикального проводника 1 и центрального проводника 7, а трубчатое основание 2 и верхнечастотное согласующее устройство 5 обеспечивают удлинение излучателя уменьшая тем самым его реактивность (и добротность). На фиг.8 приведено входное сопротивление предлагаемой антенны (кривые 19), измеренное на нижнем конце центрального проводника 7. При этом вертикальный проводник выполнялся в виде гладкого штыря. Здесь же для сравнения приведены характеристики антенны-прототипа (кривые 20, см. также Протокол N 1), уступающие характеристикам предлагаемой антенны с точки зрения возможностей широкополосного согласования.

Включение в вертикальный проводник корректирующих нагрузок, увеличивающих его электрическую длину, уменьшает реактивность предлагаемой антенны и, следовательно, улучшает возможности ее широкополосного согласования по сравнению с антенной-прототипом.

В диапазоне нижних частот широкополосное согласование предлагаемой антенны осуществляется с помощью нижнечастотного согласующего устройства 4 (фиг. 9). При этом центральные контакты переключателей 15, 16 замкнуты в положение "б", что позволяет включить в состав радиотракта лестничную электрическую цепь 13, отключив одновременно линию обхода 14. Возбуждение излучателя осуществляется через переключатель 15, электрическую цепь 13, переключатель 16, отрезок линии связи 10. Использование в продольных и поперечных ветвях цепи 13 двухполюсников 17 из дискретно регулируемых индуктивностей и емкостей позволяет на основе этой цепи 13 организовать набор широкополосных согласующих схем, работающих в смежных полосах частот.

Для обеспечения в этих полосах уровня КБВ ≥ 0,1 число таких схем для предлагаемой антенны согласно [4,5] составляет 6-7, что существенно меньше, чем у антенны-прототипа. Частотные характеристики КБВ предлагаемой антенны с таким согласующим устройством приведены на фиг.6 (кривые 21). Такое согласующее устройство легко реализуется практически и обеспечивает работоспособность современных широкополосных радиопередатчиков.

В диапазоне нижних частот КПД предлагаемой антенны с согласующим устройством примерно в два раза выше, чем у антенны-прототипа, поскольку излучатель предлагаемой антенны в два раза менее добротен, чем излучатель антенны-прототипа (фиг.8).

Вынос нижнечастотного согласующего устройства из внутренней полости антенны позволяет существенно упростить конструкцию антенны, повысить ее надежность и механическую прочность.

Дополнительный эффект от использования нижнечастотного согласующего устройства заключается в фильтрации высших гармонических составляющих излучаемого сигнала, при этом уровень подавления составляет не менее 10-15 дБ.

Таким образом, совместное использование излучателя изменяющейся конфигурации и вынесенного согласующего устройства, а также оптимальный выбор электрических и геометрических размеров элементов антенны позволяет достичь цели изобретения.

Технико-экономический эффект от использования изобретения заключается:
в снижении на 30-40% себестоимости предлагаемой антенны по сравнению с существующей широкополосной судовой антенной, содержащей дорогостоящий резистивный элемент;
в увеличении излучаемой мощности по сравнению с существующей широкополосной судовой антенной. Результаты сравнительных испытаний приведены в Протоколе N 2, прилагаемом к настоящему описанию.

Внедрение предлагаемой антенны намечено на 1993 год.

Литература
1. Рис. 7.25 на стр. 292 в книге: Надененко С.И. Антенны. М. Связьиздат, 1959.

2. Белоусов С. П. Средневолновые антенны с регулируемым распределением тока.М. Связь, 1974.

3. Антенна верхнего питания. А.с. СССР N 1663656, заявка N 4451922/24-09, полож. реш. от 30.10.89. прототип.

4. Фано Р.М. Теоретические ограничения полосы согласования произвольных импедансов. М. Сов.радио, 1965.

5. Проектирование радиопередающих устройств с применением ЭВМ. Под ред. О.В.Алексеева. М. Радио и связь, 1987.

6. Вершков М.В. Судовые антенны. Л. Судостроение, 1972. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4 ЫЫЫ6 ЫЫЫ8

Использование: широкополосные радиопередающие комплексы связи, в том числе для подвижных объектов. Сущность изобретения: антенна верхнего питания, содержащая вертикальный проводник, трубчатое основание, ВЧ и НЧ согласующие устройства, отделена от горизонтального экрана изометором и соединена с ним выключателем. НЧ согласующее устройство установлено на горизонтальном экране, а ВЧ согласующее устройство размещено внутри трубчатого основания. Предложены соотношения для выбора размеров всех элементов антенны и схемная реализация НЧ согласующего устройства, обеспечивающие повышение широкополосности антенны в области НЧ и упрощение ее конструкции. 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Антенна верхнего питания, установленная на горизонтальном экране и содержащая вертикальный проводник, закрепленный посредством изолятора, на трубчатом основании, НЧ-согласующее устройство и размещенные внутри трубчатого основания входную линии передачи и ВЧ-согласующее устройство, причем
λ_max= 20L; λ_min> 0,8L;
l_в.п/l_осн 3 4,
где λ_max, λ_min соответственно максимальная и минимальная рабочие длины волн антенны;
L общая высота антенны;
l_в.п длина вертикального проводника;
l_осн длина трубчатого основания,
отличающаяся тем, что антенна своим трубчатым основанием установлена на горизонтальном экране посредством введенного изолятора, между трубчатым основанием и горизонтальным экраном включен введенный выключатель, а НЧ-согласующее устройство установлено на горизонтальном экране у трубчатого основания антенны и соединено своим выходом с нижним концом входной линии передачи. 2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что НЧ-согласующее устройство содержит лестничную электрическую цепь, радиочастотную линию обхода и два переключателя, причем центральные контакты первого и второго переключателей являются соответственно входом и выходом НЧ-согласующего устройства, а одноименные переключаемые контакты обоих переключателей присоединены попарно соответственно к входу и выходу радиочастотной линии обхода и входу и выходу лестничной электрической цепи, которая выполнена из дискретно регулируемых индуктивностей и емкостей. 3. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что между выходом НЧ-согласующего устройства и нижним концом входной линии передачи включен введенный отрезок линии передачи.