НЕСИММЕТРИЧНЫЙ ВИБРАТОР Российский патент 2001 года по МПК H01Q9/30 

Предлагаемое изобретение относится к области антенной техники, а более конкретно к простым проволочным антеннам, предназначенным для работы в составе малогабаритной радиоаппаратуры.

Известен несимметричный вибратор, который соединен с центральным проводником коаксиального кабеля питания. При этом токи возбуждаются не только на поверхности штыря, но и на внешней поверхности коаксиального кабеля (антенный эффект фидера). Антенный эффект фидера обуславливает зависимость характеристик антенны от длины кабеля и размеров металлических корпусов радиоаппаратуры, в состав которой входит антенна, что приводит к неустойчивой работе радиоаппаратуры в целом.

С целью уменьшения антенного эффекта фидера применяют различного вида противовесы. Например, широко распространены противовесы в виде плоских металлических экранов или в виде отрезков металлических проводников, расположенных под 90^o к штырю (Марков Г.Т., Сазонов Д.М. "Антенны", М., "Энергия", 1975 г., стр. 341). Противовесы, подсоединенные к внешнему проводнику коаксиального кабеля, препятствуют затеканию тока на внешнюю поверхность кабеля.

Однако при этом увеличиваются поперечные размеры антенны. В ряде случаев в качестве противовесов используются корпуса радиоаппаратуры, когда длина соединительного фидера сведена к нулю. В этом случае величина входного сопротивления антенны зависит от размеров корпусов и при малых по сравнению с длиной волны размерах корпуса возникают трудности согласования антенны с приемником (передатчиком) в требуемой полосе частот.

Целью изобретения является создание несимметричного вибратора, питаемого коаксиальным кабелем, без противовеса, что позволяет уменьшить габариты антенны и ослабить влияние длины кабеля питания и размеры корпусов аппаратуры на электрические характеристики антенны.

Указанная цель достигается тем, что несимметричный вибратор выполнен в виде трех проводников длиной L, расположенных в одной плоскости параллельно друг другу, при этом крайние проводники расположены на одинаковом расстоянии D от центрального. Радиус центрального проводника равен a₂, а радиусы крайних проводников a₁. Центральный проводник антенны соединен с центральным проводником коаксиального кабеля, а крайние проводники антенны - с внешней оплеткой кабеля. В центральный проводник на расстоянии T₂ < 2 π D друг от друга включены конденсаторы емкостью C₂, а в крайние провода с периодом T₁ < 2 π D включены конденсаторы емкостью C₁ (фиг. 1), причем диаметры проводников 2a₁ и 2a₂, расстояния между конденсаторами T₁ и T₂ и емкости конденсаторов C₁ и C₂ отличаются друг от друга.

Предлагаемое устройство можно рассматривать как трехпроводную линию, в которой распространяется электромагнитная волна. В общем случае эту волну можно представить в виде суммы синфазной волны, энергия которой излучается, и противофазной волны, энергия которой связана с линией передачи. Каждой волне соответствуют токи в проводах - синфазный ток и противофазный. При этом можно выбрать такое соотношение между амплитудами синфазного и противофазного токов, чтобы затекание тока на экран кабеля было минимальным. Для полного устранения антенного эффекта возбуждение должно осуществляться при помощи плавного перехода, который представляет собой трехпроводную линию, диаметры проводов которой и расстояния между ними в начале должны обеспечивать волновое сопротивление, равное волновому сопротивлению коаксиального кабеля питания, и плавно изменяются к концу, например, по линейному закону, до геометрических размеров трехпроводной линии антенны. Величины нагрузок, включаемые в провода, также меняются по длине плавного перехода от нуля в начале, до величины нагрузок антенны в конце перехода.

Используя импедансные граничные условия на периодически нагруженных реактивными нагрузками проводах, можно методами, аналогичными изложенным, например, в (1. О.Н. Терешин и др. "Комбинированные однолинейные проволочные сетки". Вопросы радиоэлектроники, вып. 12, 1985, сер. общие вопросы радиоэлектроники), показать, что величины сопротивлений X_н1, X_н2, включенных в крайние и средние проводники, геометрические размеры трехпроводной линии связаны с токами I_c, I_n следующими уравнениями:

, (1)
где ω - круговая частота,
ε - абсолютная диэлектрическая проницаемость окружающей среды,
Н₀⁽²⁾(х) - функции Ганкеля,
р - комплексное волновое число, определяемое из равенства p² = q² + k²,
k = 2π/λ - волновое число окружающего пространства,
p = -α - im - продольное волновое число электромагнитной волны, распространяющейся вдоль трехпроводной линии,
α - коэффициент затухания, обусловленный излучателем,
m - коэффициент распространения,
λ - длина волны.

Нагрузки, включаемые в провода антенны, имеют емкостной характер, и величина емкостей, включаемых в провода, определяется выражениями
C₁= 1/ωX₁; C₂= 1/ωX₂
Выражения (1) получены для средней составляющей поля вблизи антенны при условии отсутствия высших пространственных гармоник (гармоник Флоке), возникающих на периодических структурах. Гармоники Флоке затухают при удалении от периодической структуры (Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ, ч. 2, М., "Связь", 1977 г.), и на расстоянии большем, чем T/2 π ими можно пренебречь. Поэтому расстояние между центральным и крайними проводниками должно быть D > T₁/2 π , D > T₂/2 π. Задаваясь требуемыми параметрами среднего поля антенны, постоянной затухания α и постоянной распространения m и решая систему уравнений, составленных для каждого проводника в соответствии с выражением (1), можно найти геометрические размеры проводников, расстояние между ними и величины нагрузок.

Предлагаемая антенна была разработана со следующими параметрами: длина антенны L = 0,3 λ , расстояние между крайними проводниками 2D = 0,04 λ , диаметры проводников 2a₁ = 0,0012λ, 2a₂ = 0,002 λ, T₁ = 0,04 λ , T₂ = 0,06 λ , X_н1 = -107,7 Ом, X_н2 = -27,5 Ом. Антенна выполнялась в виде двусторонней печатной платы, на каждой стороне которой находится по три металлических полоски с разрывами (фиг. 2). Разрывы в полосках сверху и снизу сдвинуты на половину периода относительно друг друга так, что перекрытия образуют емкостные нагрузки (конденсаторы). Ширина металлических полосок рассчитывается из соотношения δ =4a_n, а площадь перекрытия полосок сверху и снизу определяется на заданной частоте из величины нагрузки с учетом толщины диэлектрического материала и его диэлектрической проницаемости.

Электрические параметры антенны измерялись при расположении антенны на корпусе аппарата с размерами 0,12х0,02х0,01 λ. График КСВн при возбуждении непосредственно коаксиальным кабелем показан на фиг. 3. Изменение линейных размеров и конфигурации корпуса аппарата существенного влияния на предлагаемую антенну не оказывают. При возбуждении антенны плавным переходом длиной 0,5 λ затекание тока на экран кабеля питания практически отсутствует.

Предлагаемое устройство относится к области антенной техники и представляет собой несимметричный вибратор. Техническим результатом является уменьшение затекания тока на экран кабеля питания. Несимметричный вибратор выполнен в виде трех параллельных проводников, расположенных в одной плоскости, в каждый из которых периодически включены емкостные нагрузки. Геометрические размеры проводников, расстояния между ними и величины емкостных нагрузок рассчитываются на основе граничных условий на периодически нагруженных реактивными нагрузками проводах. Питание предлагаемой антенны может осуществляться коаксиальным кабелем или плавным переходом. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Несимметричный вибратор, состоящий из проводника диаметром 2а₂, подключенного к центральному проводнику возбуждающей несимметричный вибратор коаксиальной линии, и двух проводников диаметром 2а₁, подсоединенных к внешнему проводнику коаксиальной линии, отличающийся тем, что проводники диаметром 2а₁, подключенные к внешнему проводнику коаксиальной линии, выполнены длиной, равной длине проводника диаметром 2а₂, подключенного к центральному проводнику коаксиальной линии, и расположены в одной плоскости параллельно друг другу на расстоянии 2Д, при этом в проводники диаметром 2а₁ на расстоянии Т₁ <2πД друг от друга включены конденсаторы С₁, а в проводник диаметром 2а₂ на расстоянии Т₂ <2πД друг от друга включены конденсаторы емкостью С₂, причем диаметры проводников 2а₁ и 2а₂, расстояния между конденсаторами Т₁ и Т₂ и емкости конденсаторов С₁ и С₂ отличаются друг от друга. 2. Несимметричный вибратор по п.1, отличающийся тем, что он возбуждается при помощи плавного перехода в виде трехпроводной линии, диаметры проводов которой и расстояния между проводами в начале обеспечивают волновое сопротивление, равное волновому сопротивлению коаксиальной линии, и плавно изменяются к концу, например, по линейному закону, до геометрических размеров несимметричного вибратора, а величины нагрузок, включаемых в провода, также меняются по длине плавного перехода от нуля в начале до величины нагрузок в конце.