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

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для работы с широкополосными радиопередающими устройствами в КВ, УКВ диапазонах.

Известна антенна (прототип) верхнего питания (авт.св. СССР N 1663656), содержащая вертикальный проводник, закрепленный посредством изолятора на трубчатом основании, установленном на горизонтальном экране. Соосно с вертикальным проводником размещены соединенные с ним короткозамкнутые коаксиальные отрезки. Во внутренней полости трубчатого основания размещены согласующий блок и коаксиальный кабель.

На частотах своих четвертьволновых резонансов коаксиальные отрезки изменяют электрическую длину антенны, что расширяет ее рабочий диапазон частот по диаграммам направленности и, с учетом действия согласующего блока, позволяет повысить уровень входного КБВ антенны. Однако, поскольку на частотах резонансов коаксиальных отрезков электрическая длина антенны отлична от четвертьволновой, значительного увеличения входного КБВ достичь не удается. Кроме того, антенна конструктивно сложна и громоздка.

Целью изобретения является увеличение уровня входного КБВ антенны в пределах ее рабочего диапазона частот и упрощение ее конструкции.

Антенна содержит вертикальный проводник 1 (фиг. 1) с включенными вдоль его длины токоотсекающими резонансными двухполюсниками 2, закрепленный посредством изолятора 3 на верхнем торце трубчатого основания 4, которое установлено нижним торцом на горизонтальном экране 5 и во внутренней полости которого расположены согласующий блок 6 и коаксиальный кабель 7.

Вертикальный проводник 1 с двухполюсниками 2 и трубчатое основание 4 образуют излучатель антенны.

Длины трубчатого основание l_осн и вертикального проводника l_в.п и общая длина антенна L удовлетворяют соотношениям:
L = (0,05-0,2)λ_макс,
λ_мин>0,8L,
l_в.п/l_осн 2 4,
где λ_макс, λ_мин максимальная и минимальная рабочие длины волн антенны.

Цель изобретения достигается тем, что в каждый токоотсекающий двухполюсник 2 введен настроечный элемент 8, согласующий блок 6 выполнен в виде электрической цепочки из катушек индуктивности, конденсаторов и отрезков длинных линий с постоянными или переменными параметрами, а высоту h_i включения i-го токоотсекающего двухполюсника выбирают из условия:

где 0 ≅ n ≅ 4 число токоотсекающих двухполюсников, k 1,02-1,05 поправочный коэффициент, р 1 или 3, причем резонансная длина волны λ_i i-го двухполюсника выбирается равной 1/p 4kh_i.

Токоотсекающие двухполюсники могут быть выполнены в двух вариантах. По первому варианту они выполняются в виде параллельных LC-контуров, причем в качестве настроечных элементов используются конденсаторы или катушки индуктивности, входящие в эти контура.

По второму варианту двухполюсники выполняются в виде двух групп короткозамкнутых коаксиальных отрезков 9 (фиг. 2), причем нижняя группа включает в себя m отрезков, где 0 ≅ m ≅ n, а оставшиеся S n m отрезков объединены в верхнюю группу.

Длины l(m)i

и l(s)i и радиусы r(m)i и r(s)i обеих групп коаксиальных отрезков выбирают из соотношений:

r_осн/r_пр.m r_осн/r_пр.s 1 3,
где r_в.п, r_осн, r_пр.m, r_пр.s соответственно радиусы вертикального проводника, трубчатого основания и наружных коаксиальных отрезков в m и s группах, а i порядковые номера коаксиальных отрезков в этих группах.

Для обеспечения компактности и механической прочности антенны целесообразно выбирать радиус вертикального проводника лежащим в пределах от L/1000 до L/50, а радиус трубчатого основания лежащим в пределах от L/200 до L/20.

Во внутренних полостях отрезков 9 расположены настроечные элементы 10, которые выполнены либо в виде реактивных LC-двухполюсников 11 (фиг. 3), например емкостей, включенных между внутренним и внешним проводниками соответствующих отрезков 9, либо выполнены в виде короткозамкнутых шунтов 12 (фиг. 4). При этом каждый шунт подключен одним своим концом к внешнему или внутреннему проводнику соответствующего отрезка 9.

Настроечные элементы отрезков 9 могут быть также выполнены в виде диэлектрических вставок 13 (фиг. 5), диэлектрические проницаемости которых ε(m)i

и ε(s)i для m и s групп отрезков 9 выбирают из соотношений:

Часть токоотсекающих двухполюсников 2 или все они могут быть выполнены с потерями и с добротностью, лежащей в пределах от 1 до 10.

Антенна работает следующим образом.

Введение настроечных элементов 8 позволяет осуществить настройку токоотсекающих двухполюсников 2 в параллельный резонанс на длинах волн λ₁,...,λ_i,..., λ_n, равномерно размещенных в пределах диапазона 5L÷ λ_мин (фиг. 6). При настройке в резонанс двухполюсники 2 осуществляют подавление ("отсечку") тока на вышерасположенных по отношению к ним участках антенны. За счет этого основное излучение происходит с нижерасположенных частей антенны, длины которых на частотах "отсечки" тока совпадают с величинами h_i и, как следует из условия выбора h_i, являются резонансными четвертьволновыми (при р 1) или тричетвертьволновыми (р 3). Причем р 1 выбирают в диапазоне длин волн от 5L до (5-6)l_осн, а р 3 выбирают в диапазоне от (5-6)l_осн до λ_мин с тем, чтобы h_i всегда были больше l_осн и антенна была бы технически реализуемой.

Периодическое достижение излучателем антенны резонансной длины делает частотную характеристику 14 его входного КБВ равноволновой с всплесками значительной величина (до 0,4 0,6), что, согласно теории широкополосного согласования, позволяет повысить по сравнению с антенной-прототипом уровень формируемой согласующей блоком П-образной частотной характеристики 15 входного КБВ всей антенны.

Использование в антенне трех-четырех двухполюсников 2, а также введение в них потерь, позволяет получить характеристику 14 с высоким средним уровнем и уменьшенной неравномерностью, что приводит к повышению уровня характеристики 15 входного КБВ всей антенны.

При повышенных требованиях к простоте и механической прочности антенны целесообразно использовать в ней 1 2 двухполюсника 2. При умеренных требованиях по входному КБВ и ограниченном рабочем диапазоне частот антенна может быть выполнена без двухполюсников 2 (случай n 0), причем в этом случае она обладает максимально простой и механически прочной конструкцией.

Реализация двухполюсников 2 и настроечных элементов 8 в различной форме позволяет создавать конструкции с заданными габаритами и механическими характеристиками.

В диапазоне длин волн 20L 5L, где антенна имеет малую электрическую длину, согласующий блок осуществляет либо широкополосное согласование в смежных полосах частот (кривые 16, фиг. 6), либо осуществляет резонансное согласование (кривые 17, фиг. 6).

Реализация согласующего блока в виде электрической цепочки из реактивных элементов с постоянными или переменными параметрами позволяет формировать в различных диапазонах частот согласующие ячейки с требуемой структурой, например лестничной, и необходимым количеством элементов.

Использование: в радиотехнике в качестве широкополостной антенны верхнего питания. Сущность изобретения: в антенне, содержащей включенные вдоль вертикального проводника токоотсекающие резонансные двухполюсники и трубчатое основание с согласующим блоком, в каждый токоотсекающий двухполюсник введен настроечный элемент, а согласующий элемент выполнен в виде цепочки из катушки индуктивности, конденсатора и отрезков длинных линий. Настроечные элементы могут быть выполнены в виде параллельных LC-контуров. Токоотсекующие двухполюсники могут быть выполнены в виде короткозамкнутых коаксиальных отрезков. В этом случае настроечные элементы могут быть выполнены в виде реактивных LC-контуров, либо в виде шунтов, либо в виде диэлектрических вставок. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Широкополосная антенна верхнего питания, содержащая вертикальный проводник с включенными вдоль его длины токоотсекающими резонансными двухполюсниками, закрепленный посредством изолятора на верхнем торце трубчатого основания, которое установлено нижним торцом на горизонтальном экране и во внутренней полости которого расположен согласующий блок, соединенный своим входом с входным коаксиальным кабелем, а выходом с вертикальным проводником и верхним торцом трубчатого основания, при этом длины трубчатого основания l_о с н и вертикального проводника l_в п . и общая длина антенны l удовлетворяют соотношениям:
L = (0,05-0,2)λ_макс,
λ_мин>0,8L,
l_в п/l_о с н 2 4,
где λ_макс, λ_мин максимальная и минимальная рабочие длины волн антенны, отличающаяся тем, что в каждый токоотсекающий резонансный двухполюсник введен настроечный элемент, согласующий блок выполнен в виде электрической цепочки из катушек индуктивности, конденсаторов и отрезков длинных линий с постоянными или переменными параметрами, а высоту h_i включения i-го токоотсекающего двухполюсника выбирают из условия:

где n число токоотсекающих двухполюсников, не более четырех, К=1,02 - 1,05 поправочный коэффициент, р 1 или 3, причем резонансная длина волны λ_i i-ого двухполюсника выбирается равной 1/р 4Кh_i. 2. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве настроечных элементов использованы конденсаторы или катушки индуктивности токоотсекающих резонансных двухполюсников, которые выполнены в виде параллельных LC-контуров. 3. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что токоотсекающие резонансные двухполюсники выполнены в виде соосных с вертикальным проводником короткозамкнутых коаксиальных отрезков, длина которых убывает от внутренних к наружным, при этом m коаксиальных отрезков, где m ≅ n, соединены областями короткого замыкания между собой и с нижним концом вертикального проводника, а S n m оставшихся коаксиальных отрезков соединены областями короткого замыкания между собой и с верхним концом вертикального проводника, причем длины l(m)i

и l(s)i и радиусы r(m)i и r(s)i обеих групп коаксиальных отрезков выбирают из соотношений:




r_осн/r_прm=r_осн/r_прs=1-3,
где r_вп, r_осн, r_прm, r_прs соответственно радиусы вертикального проводника, трубчатого основания и наружных коаксиальных отрезков в "m" и "s" группах, i порядковый номер коаксиальных отрезков в этих группах, а настроечный элемент расположен во внутренней полости каждого из n короткозамкнутых коаксиальных отрезков. 4. Антенна по п.3, отличающаяся тем, что настроечные элементы выполнены в виде реактивных LC-двухполюсников, включенных между внутренним и внешним проводниками соответствующих коаксиальных отрезков. 5. Антенна по п.3, отличающаяся тем, что настроечные элементы выполнены в виде короткозамкнутых шунтов, причем каждый из них подключен одним концом к внешнему или внутреннему проводнику соответствующего коаксиального отрезка. 6. Антенна по п.3, отличающаяся тем, что настроечные элементы выполнены в виде диэлектрических вставок, диэлектрические проницаемости которых ε(m)i и ε(s)i для "m" и "s" групп коаксиальных отрезков соответственно выбирают из соотношений:


7. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что часть токоотсекающих резонансных двухполюсников или все они выполнены с потерями и с добротностью в пределах 1 10.