АНТЕННА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1998 года по МПК H01Q21/24 

Изобретения относится к радиотехнике, а именно к антенной технике, в частности заявляемые антенны могут быть использованы в качестве передающих или приемных диапазонных быстроразворачиваемых стелющихся (т.е. укладываемых непосредственно на плоской поверхности земли) антенн коротковолнового (КБ) или ультракоротковолнового (УКВ) диапазонов.

Известны диапазонные антенны, используемые, в частности в диапазоне УКВ, см. например: Айзенберг Г.3. Ямпольский В.Г. Терешин О.Н. Антенны УКВ. Ч.1, М. Связь, 1977, с.186, рис 13.36; Авт. св. N 1403151, кл. H 01 Q 9/28, опублик. 1988.

Перечисленные аналоги представляют собой плоскостные шунтовые симметричные вибраторы, выполненные по принципу самодополнительных структур, чем обеспечивается их диапазонная работа на уровне коэффициента бегущей волны (КБВ) не менее 0,4.

Недостатком указанных аналогов является их относительно большие электрические размеры и возможность работы только с линейной поляризацией электромагнитного поля (ЭМП).

Наиболее близким аналогом по своей технической сущности к заявляемым антеннам является УКВ-антенна по свидетельству на полезную модель N 531 от 16.06.95 г. по заявке N 93-057431 от 27.12.93 г.

Антенна-прототип состоит из двух ортогонально установленных симметричных вибраторов. Каждый симметричный вибратор подключен к зажимам отдельного тракта питания. Плечи каждого симметричного вибратора выполнены в виде плоских квадратных пластин, образованных в единой квадратной пластине путем выполнения в ней взаимно перпендикулярных щелей, оси которых проходят через середины сторон общей пластины.

Благодаря короткозамкнутым перемычкам, соединяющим примыкающие плечи, принадлежащие ортогональным симметричным вибраторам, формируются шунты.

При этом плечи одного симметричного вибратора являются шунтами для другого и наоборот.

При такой схеме обеспечивается независимая работа двух симметричных вибраторов с ортогональными линейными поляризациями ЭМП либо при квадратурной запитке четырех плеч вибраторов работа с ЭМП вращающейся поляризации.

Однако антенна-прототип имеет недостатки.

Относительно невысокий коэффициент усиления (КУ). Это объясняется тем, что токи, протекающие в проводниках шунтов, практически противофазны токам, обусловливающим излучение собственно симметричным вибратором, что снижает его сопротивление излучения и, следовательно, излучаемую мощность.

Приемлемое качество согласования (КБВ≥0,4) обеспечивается при относительно больших электрических размерах антенны. Сторона пластина должна составлять не менее 0,3 от максимальной длины волны рабочего диапазона волн - λ_max.

Конструкция антенны металлоемкая и громоздкая при ее использовании совместно с радиосредствами КВ-диапазона.

Невысокое значение развязки вибраторов, что приводит к трудностям при реализации режима кругополяризированного излучения ЭМП.

Антенна неэффективна при ее использовании в качестве стелющейся приемопередающей антенны из-за значительных потерь в подстилающей поверхности.

Целью изобретения является разработка приемопередающей стекающейся антенны, обеспечивающей при малых электрических размерах широкодиапазонную работу с линейной или вращающейся поляризацией ЭМП, упрощение конструкции и снижение времени для ее развертывания.

В первом варианте исполнения антенны поставленная цель достигается тем, что в известной антенне, содержащей два ортогонально установленных симметричных вибратора, подключенных к зажимам соответственно первого и второго трактов питания, и проводники шунта, каждое плечо симметричных вибраторов выполнено из изолированного петлеобразного проводника, уложенного вдоль границ углового сектора с углом α. Оба конца петлеобразного проводника, образующего плечо симметричного вибратора, подключены к одному зажиму соответствующего тракта питания. Между каждой парой примыкающих друг к другу плеч симметричных вибраторов и симметрично относительно них уложены вдоль границ углового сектора с углом b петлеобразные изолированные проводники шунта. Один конец изолированного петлеобразного проводника шунта подключен к одному зажиму первого тракта питания, а другой к одному зажиму второго тракта питания.

Угловые секторы, вдоль границ которых уложены изолированные петлеобразующие проводники плеч и шунта, выбраны в пределах α = 55^°...65^°, β = (0,9...1,1)α. Длины изолированных проводников, образующих плечи L_п и шунты L_ш, выбраны в пределах L_п= (0,14...0,17)λ_max, а L_ш (1,0. 1,2)L_п.

В таком варианте исполнения антенна обеспечивает работу двух независимых каналов с ортогональными линейными поляризациями ЭМП или в случае возбуждения плеч с прогрессивным 90^o фазовым сдвигом с ЭМП вращающейся поляризации.

Во втором варианте исполнения антенны поставленная цель достигается тем, что в известной антенне, содержащей четыре взаимно ортогональных плеча, подключенных к зажимам тракта питания, и проводники шунта, плечи выполнены в виде петлеобразных изолированных проводников, уложенных вдоль границ углового сектора о углом α. Конца петлеобразных изолированных проводников одной пары примыкающих друг к другу плеч подключены к первому зажиму тракта питания, а другой пары к второму зажиму тракта питания.

Симметрично между каждой парой примыкающих друг к другу плеч размещены дополнительные петлеобразные изолированные проводники, уложенные вдоль границ угловых секторов с углом b. Дополнительные петлеобразные изолированные проводники, размещенные методу плечами, подключенными к одному зажиму тракта питания, двумя концами подключены к этому же зажиму тракта питания. Дополнительные петлеобразные изолированные проводники, размещенные между плечами, подключенными к различным зажимам тракта питания, образуют шунты и подключены одним концом к одному зажиму тракта питания, а другим к второму зажиму тракта питания.

Угловые секторы, вдоль которых уложены изолированные петлеобразные проводники плеч и дополнительные петлеобразные изолированные проводники, выбраны в пределах α = 55^°...65^°, β = (0,9...1,1)α. Длины изолированных петлеобразных проводников, образующих плечи L_п и дополнительные петлеобразные проводники L_д, выбраны в пределах L_д (0,9.1,1)Ln и L_п= (0,12...0,14)λ_max.

L_д (0,9.1,1)L_п.

Во втором варианте исполнения антенна обеспечивает работу одного канала с линейной поляризацией ЭМП.

На фиг. 1 показана схема антенны, вариант 1; на фиг. 2 эскизы элементов конструкции антенны; на фиг. 3 рисунок, поясняющий работу антенны, вариант 1; на фиг. 4 схема антенны, вариант 2; на фиг. 5 рисунок, поясняющий работу антенны, вариант 2; на фиг. 6-8 результаты экспериментальных измерений параметров антенны.

Схема заявленной антенны (первый вариант), показанная на фиг. 1, состоит из двух ортогонально размещенных симметричных вибраторов, плечи 1 которых выполнены в виде изолированных петлеобразных проводников длиной L_п, уложенных вдоль границ углового сектора с углом α. Плечи первого симметричного вибратора (на фиг. 1 вертикального) подключены к зажимам а-а' первого тракта питания, а плечи второго (на фиг. 1 горизонтального) к зажимам б-б' второго тракта питания.

Между каждой парой примыкающих друг к другу плеч размещены петлеобразные изолированные проводники шунта 2 длиной L_ш. Проводники 2 уложены вдоль границ углового сектора о углом b и каждый из них подключен одним концом к одному зажиму первого тракта питания, а другим к одному зажиму второго тракта питания. Например, на фиг.1 верхний левый шунт 2 одним (правым) концом подключен к зажиму а первого тракта питания, а вторым (левым) к зажиму б второго тракта питания.

Все проводники, образующие антенну, расположены в одной плоскости. В частности, если антенна используется в качестве стекающейся, то провода укладывают непосредственно на ровной поверхности земли. Зажимы а, а', б, б' трактов питания могут быть реализованы в виде муфты 3 (фиг. 2a), к которой с одной стороны подключены проводники антенны, а с другой коаксиальный фидер 4.

Поперечное сечение проводников 1 и 2 показано на фиг. 2б. Диаметр провода d (медного или посеребренного) выбирают с учетом выходной мощности передатчика и допустимых тепловых потерь в проводах антенны, например, при выходной мощности передатчика 1 кВт, диаметр медного проводника d 2 мм). Диаметр диэлектрической оболочки D выбирают как с учетом минимизации тепловых потерь в подстилающей поверхности (например в земле), так и возможности снижения массы антенны. Эти два противоречивых требования компромиссно учитываются, если выполнить условие D (4 6)d.

Второй вариант антенны, показанный на фиг. 4, имеет аналогичную конструкцию, как и в первом варианте. Отличие заключается в следящем. Изолированные петлеобразные проводники, образующие четыре плеча 1, попарно подключены к одному из зажимов тракта питания. На фиг. 4 верхние два проводника 1 подключены к зажиму а, а нижние два проводника 1 к зажиму б.

Между каждой примыкающей друг к другу парой плеч размещены дополнительные изолированные петлеобразные проводники S длиной L_д. Причем дополнительные проводники 2' (на фиг. 4 верхний и нижний) подключены двумя концами соответственно к зажиму а и зажиму б тракта питания. Каждый из дополнительных проводников 2 (на фиг. 4 левый и правый) подключены одним концом к а, а другом к зажиму б тракта питания.

Зажимы а и б подключены соответственно к центральному проводнику и экранной оболочке коаксиального фидера 4. Заявленные антенны работают следующим образом.

В первом варианте исполнения (фиг. 1) антенна представляет собой два симметричных вибратора с взаимно перпендикулярными осями. Плечи вибраторов по периметру образуют секторы с углом альфа, равным 60^o. Каждый из петлеобразных проводников 2 подключен к зажимам различных вибраторов. Т.о. в целом антенну можно трактовать как турникетную систему, выполненную по схеме самодополнительной структуры. Такая схема обусловливает высокое качество согласования (КБВ≥0,4) в широкой полосе частот. Одновременно благодаря выбранной форме проводников шунта 2, схеме их расположения и подключения к вибраторам обеспечивается увеличение эффективности излучения вибраторов. Из упрощенной схемы, показанной на фиг. 3, следует, что высокочастотные (в.ч.) токи, протекающие по плечам вибратора, ориентированного по оси а-а', совпадают по направления с токами, возбуждаемыми от тракта питания а-а' и протекающими по участкам проводников шунтов, примыкающих к соответствующему плечу (токи показаны сплошными линиями).

В. Ч. токи этих же шунтов в участках проводников, примыкающих к плечам вибратора, ориентированного по оси б-б', противоположны по направлению и, следовательно, не оказывают влияния на создаваемое им поле излучения.

Аналогично в.ч. токи в плечах вибратора по оси б-б' совпадают по направлению с токами, возбуждаемыми в шунтах от тракта питания б-б', и противоположны в участках, примыкающих к плечам а-а' (токи показаны пунктиром).

Кроме повышения эффективности излучения это увеличивает развязку ортогональных каналов, что важно при работе в режиме излучения ЭМП с вращающейся поляризацией.

Таким образом, в первом варианте заявленная антенна может быть использована либо в режиме работы двух независимых каналов с линейными ортогональными поляризациями, либо при возбуждении плеч с прогрессивным 90^o фазовым сдвигом в режиме кругополяризованного излучения.

Во втором варианте (фиг. 4) антенна представляет собой симметричный шунтовой вибратор. Каждое плечо вибратора образовано парой проводников 1 и расположенным между ним проводником 2'. Два других проводника подключены концами к зажимам а и б тракта питания и образуют шунты. Аналогично, как и в варианте 1, токи на части проводников шунта совпадают с направлением токов в плечах (фиг. 5а). Это, а также разветвленная структура плеч обусловливают эффективную диапазонную работу антенны с одной линейной поляризацией. Использование изолированных проводников снижает тепловые потери в полупроводящей земле за счет того, что наиболее концентрированная часть реактивного поля, окружающего проводник, охватывается высококачественным диэлектриком.

Возможность достижения поставленной цели проверена на макетах заявленных вариантов антенны, предназначенных для работы, начиная с частоты F_min l,5 МГц.

Антенны выполнены из отрезков коаксиального кабеля РК-75-4-11 со снятой оболочкой и экранной оплеткой.

Размеры элементов конструкции антенны составили:
в первом варианте: L_п 30м; L_ш 33м; α = β = 60^°;
во втором варианте: L_п=L_д=26 м; α = β = 60^°.

Антенны укладывались непосредственно на поверхность земли с параметрами ε_r= 5; σ = 10^-3 см/м. Измерялись качество согласования (КБВ) и развязка трактов (для первого варианта антенны). В этих же условиях измерены параметры антенны-прототипа, которая была выполнена из оцинкованного железа толщиной 1 мм в соответствии с описанием ее конструкцией. Сторона пластины антенны-прототипа составила 60 м.

Результаты измерений приведены на фиг. 6 8. При условии одинаковых значений КБВ≥0,4 (фиг. 7) заявленные антенны имеют площадь порядка 315 м² (прототип 360 м²), т.е. примерно на 15% меньше чем у прототипа. В заявленной антенне (первый вариант) обеспечивается более высокая развязка ортогональных трактов ΔB дБ) не менее 10 дБ в диапазоне частот (фиг. 8). Дополнительно определялся относительный выигрыш по эффективности заявленной антенны в сравнении с прототипом ΔP дБ путем измерения полей, создаваемых заявленной антенной E_з и прототипом E_п при равенстве подводимой мощности (фиг. 6). По результатам измерений вычислялся относительный выигрыш ΔP дБ по формуле
ΔP,дБ = 10lg(E23

Полученные результаты подтверждают более высокую эффективность заявленной антенны, возможность широкополосной работы с КБВ≥0,4 при одновременном снижении электрических размеров и существенном сокращении времени ее развертывания, не превышающего 10 мин.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к антенной технике, и может быть использовано в качестве приемопередающей стелющейся диапазонной антенны КВ- и УКВ-диапазонов. Целью изобретения является разработка быстроразворачиваемой стелющейся антенны, обеспечивающей эффективную работу в широкой полосе частот. Антенна состоит из четырех взаимно ортогональных плеч 1, каждое из которых выполнено в виде петлеобразного изолированного проводника, уложенного вдоль границ углового сектора α. Плечи попарно подключены к первому и второму трактам питания. Между каждой парой примыкающих друг к другу плеч установлены петлеобразные изолированные проводники 2, уложенные вдоль границ углового сектора β. Проводники шунта подключены к зажимам, принадлежащим первому и второму трактам питания. Антенна обеспечивает диапазонную эффективную работу с полем вращающейся поляризации или с двумя независимыми линейными поляризациями. Приведена схема второго варианта антенны для работы с одной линейной поляризацией. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Антенна, содержащая два ортогонально установленных симметричных вибратора, подключенных к зажимам соответственно первого и второго трактов питания, и проводники шунта, отличающаяся тем, что каждое плечо симметричных вибраторов выполнено из изолированного петлеобразного проводника, уложенного вдоль границ углового сектора α и подключенного обоими концами к одному зажиму соответствующего тракта питания, симметрично между каждой парой примыкающих друг к другу плеч симметричных вибраторов уложены вдоль границ угловых секторов b петлеобразные изолированные проводники шунта, причем один конец изолированного петлеобразного проводника шунта подключен к одному зажиму первого тракта питания, а другой к одному зажиму второго тракта питания. 2. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что длины изолированных петлеобразных проводников, образующих плечи L_п и шунты L_ш, выбраны в пределах
L_п= (0,14...0,17)λ_max, L_ш= (1,0...1,2)L_п,
где λ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона волн. 3. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что угловые секторы, вдоль которых установлены изолированные петлеобразные проводники плеч и шунта, выбраны в пределах α = 55...65^°, β = (0,9 - 1,1)α.
4. Антенна, содержащая четыре взаимно ортогональных плеча, подключенных к зажимах тракта питания, и проводники шунта, отличающаяся тем, что плечи выполнены в виде петлеобразных изолированных проводников, уложенных вдоль границ углового сектора α, концы одной пары примыкающих друг к другу петлеобразных изолированных проводников подключены к первому зажиму тракта питания, а другой пары к второму зажиму тракта питания, симметрично между каждой парой примыкающих друг к другу плеч размещены дополнительные петлеобразные изолированные проводники, уложенные вдоль границ угловых секторов β, причем дополнительные петлеобразные изолированные проводники, размещенные между плечами, подключенными к одному зажиму тракта питания, двумя концами подключены к этому же зажиму тракта питания, дополнительные петлеобразные изолированные проводники, размещенные между плечами, подключенными к различным зажимам тракта питания, образуют шунты и подключены одним концом к одному зажиму тракта питания, а другим к второму зажиму тракта питания. 5. Антенна по п. 4, отличающаяся тем, что угловые секторы, вдоль границ которых уложены изолированные петлеобразные проводники плеч и дополнительные петлеобразные изолированные проводники, выбраны в пределах α = 55 -65^°, β = (0,9 - 1,1)α.
6. Антенна по п. 4, отличающаяся тем, что длины изолированных петлеобразных дополнительных проводников L_д и проводников, образующих плечи L_п, выбраны в пределах
L_д= (0,9 - 1,1)L_п, L_п= (0,12 - 0,14)λ_max,
где λ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона волн.