ВЕРТИКАЛЬНЫЙ КОАКСИАЛЬНЫЙ ВИБРАТОР Российский патент 1998 года по МПК H01Q9/18 

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенной технике, в частности, заявляемый коаксиальный вертикальный вибратор может использоваться в системах связи с подвижными неориентированными в азимутальной плоскости корреспондентами.

Известны ненаправленные приемо-передающие антенны (например, Гвоздев И. Н. и др. Характеристики антенн радиосистем связи. Л. ВАС, с. 185-191). Известные антенны представляют собой различные конструкции несимметричных вибраторов с противовесами, устанавливаемые на мачтах. Они имеют ненаправленные характеристики излучения (приема) в азимутальной плоскости, что обеспечивает возможность их использования в системах подвижной связи с неориентированными в пространстве корреспондентами.

Однако известные аналоги имеют низкий коэффициент усиления (КУ), определяемый, как известно, произведением коэффициента направленного действия (КНД) на КПД.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному устройству является вертикальный коаксиальный вибратор, описанный в книге: Вершков М.В. Миротворский О.Б. Судовые антенны. Л. Судостроение, 1990, с. 191, рис. 6.3б.

Вертикальный коаксиальный вибратор прототип состоит из двух металлических цилиндров, установленных соосно с диэлектрическим зазором между их примыкающими друг к другу торцами. Коаксиально во внутренней полости металлических цилиндров размещен металлический стержень. Верхние торцы металлических цилиндров электрически соединены с металлическим стержнем. Коаксиальный фидер подключен экранной оболочкой к верхнему торцу нижнего металлического цилиндра, а центральным проводником к нижнему торцу верхнего металлического цилиндра. В такой антенне путем подбора соотношений размеров элементов ее конструкции обеспечивается расширение диапазона рабочих частот по согласованию. Отсутствие полностью изолированных элементов конструкции делает антенну грозозащищенной.

Однако антенна прототип имеет недостаток: низкий КУ. Это объясняется тем, что высокоподнятый полуволновый симметричный вибратор, каким по сути является прототип, имеет КНД не более 1,64 (в условиях свободного пространства). Низкое значение КНД обусловлено с одной стороны требованием к такому классу антенн ненаправленного излучения в азимутальной плоскости, с другой необходимостью согласования с коаксиальным кабелем, имеющим относительно низкое значение волнового сопротивления ρ_ф 50 Ом или 75 Ом. Последнее возможно при длине металлических цилиндров порядка четверти рабочей длины волны λ
Известно, что КНД можно увеличить за счет увеличения длины металлических цилиндров. Максимальная величина КНД для такого класса вибраторов реализуется при высоте плеч вибратор порядка 0,63 l (см. книгу: Вершков М.В. Миротворский О.Б. Судовые антенны. Л. Судостроение, 1990, с. 62).

Однако при этом нарушается согласование и, как следствие, резко снижается КПД антенны, а, следовательно, и ее КУ.

Целью изобретения является разработка вертикального коаксиального вибратора с ненаправленным излучением в азимутальной плоскости, обладающего более высоким КУ, при одновременном сохранении качества согласования.

Поставленная цель достигается тем, что в известном вертикальном коаксиальном вибраторе, содержащем два металлических цилиндра, установленных соосно с диэлектрическим зазором между их примыкающими друг к другу торцами и электрически связанных верхними торцам с коаксиально размещенным в их внутренних полостях металлическим стержнем, и коаксиальный фидер, экранная оболочка которого электрически связана с металлическим стержнем, дополнительно во внутренней полости каждого металлического цилиндра установлены короткозамыкающие (к. з.) перемычки. Кроме того, в полости верхнего металлического цилиндра размещен вертикальный отрезок двухпроводной линии, проводники которой подключены у нижнего конца соответственно к экранной оболочке и центральному проводнику коаксиального фидера, а у верхнего конца - к металлическому стержню, и через отверстие в металлическом цилиндре к его внешней поверхности.

Высота каждого металлического цилиндра выбрана равной (0,62-0,63) l где l рабочая длина волны. К.з. перемычки в нижнем и верхнем металлических цилиндрах установлены на расстоянии (0,24-0,26) l от их нижних торцов. Длина вертикального отрезка двухпроводной линии выбрана в пределах (0,16-0,18) l Нижний конец отрезка двухпроводной линии размещен в диэлектрическом зазоре между примыкающими торцами металлических цилиндров.

К. з. перемычки могут быть выполнены с возможностью их перемещения вдоль оси цилиндра.

В частном случае, вертикальный отрезок двухпроводной линии может быть выполнен в виде отрезка коаксиального кабеля.

Благодаря перечисленной совокупности существенных признаков достигается максимизация КНД выбором соответствующей длины металлических цилиндров и одновременно максимизация КПД за счет согласования низкооного волнового сопротивления фидера через трансформирующий отрезок двухпроводной линии.

Этим обеспечивается при ненаправленном излучении в азимутальной плоскости и сохранении высокого уровня согласования максимально достижимый для данного класса антенн КУ.

На фиг. 1 представлена общая схема антенны; на фиг. 2 эквивалентная схема антенны; на фиг. 3, 4 результаты экспериментальных измерений.

Вертикальный коаксиальный вибратор, показанный на фиг. 1, состоит из двух металлических цилиндров 1, длиной l₁ каждый. Металлические цилиндры 1 установлены соосно с диэлектрическим зазором D между их примыкающими торцами. Во внутренней полости металлических цилиндров 1 коаксиально установлен металлический стержень 2. В частном случае металлический стержень может быть выполнен в виде трубки с наружным диаметром в поперечном сечении d. Металлические цилиндры также могут быть реализованы в форме круглых цилиндров, с внешним диаметром поперечного сечения D₁ и внутренним D₂.

Верхние торцы каждого из металлических цилиндров 1 электрически связаны (точки "a") с металлическим стержнем 2. В полости верхнего металлического цилиндра размещен вертикальный отрезок двухпроводной линии 3 длиной l₂. Отрезок двухпроводной линии 3 может быть реализован в виде микрополосковой линии, в форме коаксиальной линии и т.п. На фиг. 1 он показан в виде отрезка коаксиальной линии, размещенной во внутренней полости металлического стержня 2. Нижний конец отрезка двухпроводной линии 3 размещен в диэлектрическом зазоре у нижней кромки верхнего металлического цилиндра 1.

Коаксиальный фидер 4 подключен экранной оболочкой к металлическому стержню 2 и к первому проводнику двухпроводной линии (точка "б"). Центральный проводник коаксиального фидера 4 подключен (в точке "б'") к второму проводнику отрезка двухпроводной линии 3. У верхнего конца отрезка двухпроводной линии 3 его первый проводник подключен к металлическому стержню 2 (в точке "д"), а второй с помощью отрезка провода 5 через отверстие в металлическом цилиндре 1 к его внешней поверхности (точка "д'"). Во внутренней полости каждого металлического цилиндра на расстоянии l₃ от их нижних торцов установлены к.з. перемычки 6, электрически связывающие в месте их установки металлический стержень 2 и внутреннюю поверхность соответствующего металлического цилиндра 1. Для обеспечения подстройки антенны к.з. перемычки 6 могут быть установлены с возможностью их перемещения вдоль вертикальной оси вибратора.

Заявленная антенна работает следующим образом. Из конструкции антенны следует, что к ее точках д-д' подключены одновременно: к.з. шлейф с волновым сопротивлением r_ш длиной l₄ и трансформирующая линия длиной l₂ с волновым сопротивлением ρ_т К.з. шлейф и трансформирующая линия образованы внутренней поверхностью металлического цилиндра 1 и внешней поверхностью металлического стержня 2. В свою очередь трансформирующая линия в точках с-с нагружена на входное сопротивление Z_в симметричного вибратора, плечами которого являются металлические цилиндры 1. Общее сопротивление, подключенное к точкам д-д', через отрезок двухпроводной линии с волновым сопротивлением ρ_л длиной l₂ подключено к фидеру 4 с волновым сопротивлением ρ_в в точках б-б'. Следовательно, при ρ_л≠ ρ_ф отрезок линии 3 также выполняет роль дополнительного трансформатора. К.з. линия длиной l₃ в нижнем металлическом цилиндре выполняет роль запирающего цилиндра, предотвращающего затекание ВЧ токов на металлическую мачту. С учетом изложенного эквивалентная схема заявляемой антенны показана на фиг. 2, из которой следует, что сопротивление в точках подключения фидера (точки б-б') может быть вычислено по формуле:

где общее сопротивление в точках д-д', обусловлено параллельно включенными сопротивлениями к. з. линии Z_кз и сопротивлением Z_дд на выходе трансформирующей линии, нагруженной на сопротивление Z_в, т.е.

В формулах (1), (3) γ = α+iβ постоянная распространения электромагнитных колебаний вдоль соответствующей линии; a постоянная затухания; b = 2π/λ - фазовая постоянная.

Сопротивление Z_в определяется по известным формулам для симметричного вибратора, см. например, Вершков М.В. Миротворский О.Б. Судовые антенны. Л. Судостроение, 1990, с. 58, формула 2.96.

Из приведенных соотношений очевидно, что в заявленной антенне оказывается возможным изменение в широких пределах ее входного сопротивления путем выбора соответствующего соотношения элементов ее конструкции: D₂, d, l₄, l₂, l₃. Причем при определенных значениях D₂ и d выбором длины отрезка двухпроводной линии l₂ и ее волнового сопротивления ρ_л а также выбором положения к. з. перемычки. т.е. величины l₄, достигается полное согласование антенны с фидером. Этим обеспечивается максимизация КПД. С другой стороны, выбором длин металлических цилиндров в пределах l₁ (0,62-0,63) λ достигается максимизация КНД вибратора. Следовательно, наивысшее значение (в условиях ненаправленного излучения в азимутальной плоскости) приобретает и величина КУ вибратора.

Правомерность теоретических рассуждений и обоснование наилучших соотношений элементов конструкции заявляемой антенны выполнены в ходе экспериментальных исследований опытного образца, предназначенного для работы на частоте f 27 МГц, что соответствует рабочей длине волны l 11,1 м.

Опытный образец имел следующие размеры: d 5 мм; D₂ 12 мм, D₁ 14 мм; l₁ 6,88 м; l₃ 2,77 м; l₂ 1,89; l₄ 0,88 м, волновое сопротивление фидера r_ф 50 Ом.

Результаты измерений КБВ и диаграммы направленности (ДН) показаны на фиг. 3, 4 (сплошная линия заявленное устройство, пунктир прототип).

Полученные результаты показывают, что при практически равных условиях согласования (т.е. и равных КПД) в заявленном устройстве реализуется предельно узкая в плотности "E" ДН для данного класса излучателей с КНД ≈ 3,3. Следовательно, обеспечивается и максимально возможное значение КУ. Полагая КПД ≈ 0,9, имеем в заявленном устройстве КУ ≈ 0,9•3,3 ≈ 3. Для прототипа КУ ≈ 0,9•1,64 ≈ 1,5.

Одновременно были определены соотношения элементов конструкции заявленной антенны, при которых возможна реализация поставленной цели, а именно: l₁ (0,62-0,63) λ l₂ (0,16-0,18) l l₃ (0,24-0,26) l Средние значения указанных интервалов являются оптимальными.

Другие габаритные размеры вибраторы: D₁, D₂, d определяют преимущественно из эксплуатационных соображений (масса, механическая прочность и т.п.) и одновременно исходя из возможности достижения требуемых значений r_ш, ρ_тпри которых обеспечивается необходимое качество согласования (формулы 4). Для используемых стандартных фидеров с волновым сопротивлением 50 Ом или 75 Ом целесообразно выбирать: D₂/d (2-3); D₁/D₂ (1,1-1,2); D₁/l₁ (0,02-0,03). Величина зазора Δ выбирается в пределах (0,3-0,4)D₁, чем исключается шунтирующее действие торцевой емкости.

Использование заявленного устройства позволит повысить надежность и энергетику канала радиосвязи с неориентированным по азимуту корреспондентом, например, в системах подвижной связи.

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве ненаправленной приемо-передающей антенны в системах подвижной радиосвязи. Целью изобретения является разработка вертикального ненаправленного вибратора, обладающего высоким коэффициентом усиления. Заявленная антенна состоит из двух соосно установленных с диэлектрическим зазором металлических цилиндров (МЦ) 1 и коаксиально размещенного в их внутренней полости металлического стержня 2. Дополнительно в верхнем МЦ установлен отрезок двухпроводной линии 3, подключенный нижним концом к коаксиальному фидеру 4, а верхним: одним проводом к металлическому стержню, а другим - через отверстие в МЦ к его внешней поверхности. Выбором соотношений геометрических размеров вибратора достигается максимальное значение направленности в вертикальной плоскости при одновременном высоком уровне согласования, т.е. обеспечивается максимизация коэффициента усиления. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Вертикальный коаксиальный вибратор, содержащий два металлических цилиндра, установленных соосно с диэлектрическим зазором между их примыкающими друг к другу торцами и электрически связанных верхними торцами с коаксиально размещенными в их внутренних полостях металлическим стержнем, и коаксиальный фидер, экранная оболочка которого электрически связана с металлическим стержнем, отличающийся тем, что дополнительно во внутренней полости каждого металлического цилиндра установлены короткозамыкающие перемычки, кроме того, в полости верхнего металлического цилиндра размещен вертикальный отрезок двухпроводной линии, проводники которой подключены у нижнего конца, соответственно, к экранной оболочке и центральному проводнику коаксиального фидера, а у верхнего конца к металлическому стержню и через отверстие в металлическом цилиндре к его внешней поверхности. 2. Вибратор по п. 1, отличающийся тем, что высота каждого металлического цилиндра выбрана в пределах (0,62-0,63)λ, где λ - рабочая длина волны, короткозамыкающие перемычки в нижнем и верхнем металлических цилиндрах установлены на расстоянии (0,24-0,26)λ от их нижних торцов, а длина вертикального отрезка двухпроводной линии выбрана в пределах (0,16-0,18)λ, причем ее нижний конец размещен в диэлектрическом зазоре между примыкающими торцами металлических цилиндров. 3. Вибратор по пп. 1 и/или 2, отличающийся тем, что короткозамыкающие перемычки установлены с возможностью их перемещения. 4. Вибратор по пп. 1 и/или 2, 3, отличающийся тем, что вертикальный отрезок двухпроводной линии выполнен в виде отрезка коаксиального фидера.