НЕСИММЕТРИЧНАЯ АНТЕННА Российский патент 2001 года по МПК H01Q9/18 

Несимметричная антенна относится к области антенной техники и предназначена для использования в радиотехнических системах различного назначения, в частности в устройствах поиска и пеленгации наземных источников излучения.

Известна несимметричная антенна [1], содержащая вертикальный вибратор присоединенного к центральному проводнику коаксиального кабеля. К внешнему проводнику коаксиального кабеля через введенный усеченный конус присоединены прямоугольные проводники противовеса в количестве N ≥ 3 штук. На вертикальном вибраторе закреплен металлический конус, окруженный диэлектриком. Конфигурация и взаимное положение согласующих элементов, образованных металлическим конусом, усеченным конусом и диэлектриком, а также длина вертикального вибратора экспериментально подобраны так, что рабочий диапазон по уровню КСВ 2 составляет примерно октаву.

Наиболее близкой по технический сущности к заявляемому устройству является несимметричная антенна [2], выбранная в качестве прототипа, содержащая вертикальный вибратор, присоединенный к внутреннему проводнику коаксиального кабеля, N прямолинейных проводников противовеса, присоединенных под углом к внешнему проводнику коаксиального кабеля, симметрично расположенных вокруг него, и N симметрично расположенных между ними прямолинейных проводников, присоединенных к вертикальному вибратору. Как несимметричная антенна [1], так несимметричная антенна [2] обладает общим недостатком - малой полосой рабочих частот. Это обусловлено прежде всего резонансным характером входного сопротивления несимметричной антенны. Техническая задача заключается в расширении полосы рабочих частот.

Указанная задача достигается тем, что в известном устройстве, содержащем вертикальный вибратор, присоединенный к внутреннему проводнику коаксиального кабеля, N прямолинейных проводников противовеса, присоединенных под углом к внешнему проводнику коаксиального кабеля, симметрично расположенных вокруг него, и N симметрично расположенных между ними прямолинейных проводников, присоединенных к вертикальному вибратору, согласно изобретению вертикальный вибратор имеет длину 0,125λ, где λ - наибольшая длина волны рабочего диапазона, а количество прямолинейных проводников вертикального вибратора и противовеса выбрано четным N ≥ 16, при этом углы присоединения проводников противовеса к внешнему проводнику коаксиального кабеля составляют 140-155^o, причем прямолинейные проводники вертикального вибратора расположены в области его возбуждения, в ортогональной к нему плоскости и непосредственно соединены с внутренним проводником коаксиального кабеля, общая длина каждой из N/2 диаметрально расположенной пары прямолинейных проводников вертикального вибратора d_n связана с общей длиной соответствующей пары прямолинейных проводников противовеса l_n соотношением d_n = 0,5l_n и уменьшается от первой пары с максимальной длиной l₁, равной 0,168 - 0,17λ, по закону геометрической прогрессии со знаменателем τ = 0,8 - 0,85, т. е. l_n+1 = l_nτ или d_n+1 = d_nτ, где n = 1, 2, 3, ..., N/2 - порядковый номер диаметрально расположенной пары прямолинейных проводников вертикального вибратора и противовеса. При этом в разрыв между основанием вертикального вибратора и точкой соединения с ним его проводников включено согласующее устройство, состоящее из последовательной цепи, образованной первой катушкой индуктивности L₁ = 0,4 - 0,5 мкГн, вход которой соединен с основанием вертикального вибратора, второй катушки индуктивности L₂ = 0,4 - 0,5 мкГн и первого конденсатора C₁ емкостью 300 - 350 пФ, выход которого соединен с внутренним проводником коаксиального кабеля в точке соединения с ним проводников вертикального вибратора между входом первой катушки индуктивности и противовесом включен второй конденсатор C₂ емкостью 300 - 350 пФ, а между ее выходом и противовесом последовательно включены активное сопротивление R₁ = 900 - 1000 Ом и третья катушка индуктивности L₃ = 0,8 - 0,9 мкГн, вход и выход второй катушки индуктивности L₂ соединен с противовесом через конденсатор C₃ и C₄, соответственно, емкостью 330 пФ, а выход первого конденсатора C₁ соединен с противовесом через активное сопротивление R₂ = 430 - 510 Ом.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая антенна отличается наличием новых элементов - введены вертикальный вибратор длиной 0,125λ, где λ - наибольшая длина волны рабочего диапазона, а количество прямолинейных проводников вертикального вибратора и противовеса выбрано четным N ≥ 16, при этом углы присоединения проводников противовеса к внешнему проводнику коаксиального кабеля составляют 140-155^o, причем прямолинейные проводники вертикального вибратора расположены в области его возбуждения, в ортогональной к нему плоскости и непосредственно соединены с внутренним проводником коаксиального кабеля. Общая длина каждой из N/2 диаметрально расположенной пары прямолинейных проводников вертикального вибратора d_n связана с общей длиной соответствующей пары прямолинейных проводников противовеса l_n соотношением d_n = 0,5l_n и уменьшается от первой пары с максимальной длиной l₁, равной 0,168-0,17λ, по закону геометрической прогрессии со знаменателем τ = 0,8-0,85, т.е.l_n+1 = l_nτ или d_n+1 = d_nτ, где n = 1, 2, 3, ..., N/2 - порядковый номер диаметрально расположенной пары прямолинейных проводников вертикального вибратора и противовеса.

При этом в разрыв между основанием вертикального вибратора и точкой соединения с ним его проводников включено согласующее устройство, состоящее из последовательной цепи, образованной первой катушкой индуктивности L₁ = 0,4 - 0,5 мкГн, вход которой соединен с основанием вертикального вибратора, второй катушки индуктивности L₂ = 0,4 - 0,5 мкГн и первого конденсатора C₁ емкостью 300 - 350 пФ, выход которого соединен с внутренним проводником коаксиального кабеля в точке соединения с ним проводников вертикального вибратора, между входом первой катушки индуктивности L₁ и противовесом включен второй конденсатор C₂ емкостью 300 - 350 пФ, а между ее выходам и противовесом последовательно включены активное сопротивление R₁ = 900 - 1000 Ом и третья катушка индуктивности L₃ = 0,8 - 0,9 мкГн, вход и выход второй катушки индуктивности L₂ соединены с противовесом через конденсатора C₃ и C₄, соответственно, емкостью 330 пФ, а выход первого конденсатора C₁ соединен с противовесом через активное сопротивление R₂ = 430 - 510 Ом. Таким образом, изобретение соответствует критерию изобретения "Новизна".

Анализ известных технических решений в известной области и смежной с ней позволяет сделать вывод, что введенные элементы известны. Однако введение их в несимметричную антенну с указанными размерами и связями обеспечивает устройству такое новое свойство, как расширение полосы рабочих частот.

Изобретение имеет изобретательский уровень, т.к. оно для специалиста явным образом не следует из уровня техники.

Изобретение является промышленно применительным, так как оно может быть использовано в различных областях народного хозяйства.

Сущность изобретения поясняется посредством чертежа и последующего описания.

На чертеже представлен вид несимметричной антенны, где:
1 - вертикальный вибратор;
2 - внутренний проводник коаксиального кабеля;
3 - прямолинейные проводники противовеса;
4 - внешний проводник коаксиального кабеля;
5 - прямолинейные проводники вертикального вибратора;
6 - согласующее устройство, состоящее из катушек индуктивности L₁; L₂; L₃, конденсаторов C₁; C₂; C₃; C₄ и сопротивлений R₁; R₂.

Конструктивно несимметричная антенна состоит из вертикального вибратора 1, присоединенного через последовательно включенную катушку индуктивности L₁ = 0,4 - 0,5 мкГн и L₂ = 0,4 - 0,5 мкГн; конденсатор C₁ = 300 - 350 пФ согласующего устройства 6 к внутреннему проводнику 2 коаксиального кабеля. В точке возбуждения вибратора 1 в ортогональной к нему плоскости присоединены к внутреннему проводнику коаксиального кабеля прямолинейные проводники в количестве N ≥ 16. К внешнему проводнику 4 коаксиального кабеля симметрично вокруг него присоединены прямолинейные проводники 3 противовеса в количестве N ≥ 16, расположенные симметрично между прямолинейными проводниками 3 вибратора, при этом углы присоединения проводников противовеса к внешнему проводнику коаксиального кабеля составляют 140-155^o. Общая длина каждого из N/2 диаметрально расположенной пары прямолинейных проводников 5 вертикального вибратора d_n связана с общей длиной соответствующей пары прямолинейных проводников 3 противовеса l_n соотношением d_n = 0,5l_n и уменьшается от первой пары с максимальной длиной l₁, равной 0,168-0,17λ, по закону геометрической прогрессии со знаменателем τ = 0,8-0,85, т.е.l_n+1 = l_nτ или d_n+1 = d_nτ, где n = 1, 2, 3, ..., N/2 - порядковый номер диаметрально расположенной паре прямолинейных проводников вертикального вибратора и противовеса. При этом между входом первой катушки индуктивности L₁ и противовесом включен конденсатор C₂ емкостью 300 - 350 пФ, а между ее выходом и противовесом последовательно включены активное сопротивление R₁ = 900 - 1000 Ом и катушка индуктивности L₃ = 0,8 - 0,9 мкГн. Вход и выход катушки индуктивности L₂ соединен с противовесом через конденсаторы C₃ и C₄ соответственно, емкостью 330 пФ, а выход первого конденсатора C₁ соединен с противовесом через активное сопротивление R₂ = 430 - 510 Ом. Такая конструкция несимметричной антенны значительно расширяет полосу рабочих частот.

Конструктивно элементы согласующего устройства установлены на плате, изготовленной из материала СТФ-2-35 размерами 75х40.

Несимметричная антенна работает следующим образом.

При подаче высокочастотного сигнала по коаксиальному кабелю 2 в диапазоне длин волн, которому соответствует геометрическая длина вертикального вибратора 1 от 0,125λ до 3/4λ, наиболее эффективно возбуждаются электрические токи в вертикальном вибраторе 1 и на прямолинейных проводниках противовеса 3, которые формируют излучение с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости. При этом благодаря последовательно включенному между основанием вертикального вибратора 1 и центральным проводником коаксиального кабеля 2 согласующего устройства, состоящего из первой катушки индуктивности L₁, второй катушки индуктивности L₂, первого конденсатора C₁, второго конденсатора C₂, третьей катушки индуктивности L₃, активных сопротивлений R₁ и R₂, блокировочных конденсаторов C₃ и C₄ и конструктивной емкости проводников 5 вертикального вибратора 1 в нижней части диапазона частот электрическая длина вертикального вибратора значительно превосходит его геометрическую длину и, как следствие, увеличивается его эффективность.

С ростом частоты сигнала, когда электрическая длина вибратора с согласующим устройством начинает превосходить 3/4λ, эффективность его резко снижается ввиду появления противофазных участков распределения тока вдоль его длины и сложности возбуждения на частотах, на которых электрическая длина вибратора 1 кратна длине волны высокочастотного сигнала. Вместе с тем, возрастает роль и эффективность возбуждения проводников 5 вертикального вибратора 1 и противовеса 3, электрическая длина которых становится соизмеримой с четвертью длины волны высокочастотного сигнала. Проводники вертикального вибратора и проводники противовеса аналогично дискоконусной антенне формируют излучение с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости. При этом поскольку длины прямолинейных проводников вертикального вибратора и проводников противовеса изменяются по закону геометрической прогрессии со знаменателем τ = 0,8-0,85, в формировании излучения подобно логарифмически периодической антенне участвует некоторая "активная область" проводников, длина которых близка к резонансной. С увеличением частоты, "активная область" перемещается, охватывая вибраторы все более меньших и меньших размеров, обеспечивая тем самым работу несимметричной антенны в широкой полосе частот, верхняя граница которой ограничена резонансной длиной проводников с минимальными размерами, конструктивными параметрами (количество проводников), степенью их взаимного влияния и паразитного излучения вибраторов с электрической длиной 3/4λ; 3/2λ; 5/2λ и т.д.

Результаты макетирования и экспериментального исследования показали, что оптимальное количество проводников вертикального вибратора и противовеса, с точки зрения широкополосности (степени согласования по входному сопротивлению и искажения диаграммы направленности) составляет N ≥ 16 при изменении их длины по закону геометрической прогрессии со знаменателем τ = 0,8-0,85.
При этом коэффициент перекрытия рабочего диапазона по частоте составляет 1 - 20 при КСВН 3.

Несимметричная антенна, содержащая вертикальный вибратор (ВВ), присоединенный к внутреннему проводнику коаксиального кабеля (КК), N прямолинейных проводников противовеса (ППП), присоединенных под углом 140 - 155^o к внешнему проводнику КК, симметрично расположенных вокруг него, и N симметрично расположенных между ними прямолинейных проводников, присоединенных к вертикальному вибратору (ППВВ). Длина ВВ составляет 0,125λ. ППВВ расположены в области его возбуждения в ортогональной к нему плоскости и непосредственно соединены с внутренним проводником КК. Количество ППВВ и ППП четное N ≥ 16. Общая длина каждой из N/2 диаметрально расположенной пары ППВВ d_n связана с общей длиной соответствующей пары ППП l_n соотношением d_n = 0,5l_n и уменьшается от первой пары с максимальной длиной l_l, равной 0,168 - 0,17λ, по закону геометрической прогрессии со знаменателем τ = 0,8 - 0,85, т.е. l_n+1 = l_nτ или d_n+1 = d_nτ, где n = 1,2,3, ..., N/2 - порядковый номер диаметрально расположенной ППВВ и ППП. В разрыв между основанием ВВ и точкой соединения с ним его проводников включено согласующее устройство, в состав которого входят две катушки индуктивности L₁ и L₂, три конденсатора C₁, C₂ и C₃ два сопротивления R₁ и R₂. Технический результат заключается в расширении полосы рабочих частот. 1 ил.

Несимметричная антенна, содержащая вертикальный вибратор, присоединенный к внутреннему проводнику коаксиального кабеля, N прямолинейных проводников противовеса, присоединенных под углом к внешнему проводнику коаксиального кабеля, симметрично расположенных вокруг него, и N симметрично расположенных между ними прямолинейных проводников, присоединенных к вертикальному вибратору, отличающаяся тем, что вертикальный вибратор имеет длину 0,125λ, где λ - наибольшая длина волны рабочего диапазона, а количество прямолинейных проводников вертикального вибратора и противовеса выбрано четным N ≥ 16, при этом углы присоединения проводников противовеса к внешнему проводнику коаксиального кабеля составляют 140-155^o, причем прямолинейные проводники вертикального вибратора расположены в области его возбуждения в ортогональной к нему плоскости и непосредственно соединены с внутренним проводником коаксиального кабеля, общая длина каждой из N/2 диаметрально расположенной пары прямолинейных проводников вертикального вибратора d_n связана с общей длиной соответствующей пары прямолинейных проводников противовеса l_n соотношением d_n = 0,5 l_n и уменьшается от первой пары с максимальной длиной l₁, равной 0,168 - 0,17λ, по закону геометрической прогрессии со знаменателем τ = 0,8 - 0,85, т.е. l_n+1 = l_nτ или d_n+1 = d_nτ, где n=1, 2, 3,..., N/2 - порядковый номер диаметрально расположенной пары прямолинейных проводников вертикального вибратора и противовеса, при этом в разрыв между основанием вертикального вибного вибратора и точкой соединения с ним его проводников включено согласующее устройство, состоящее из последовательной цепи, образованной первой катушкой индуктивности L₁=0,4 - 0,5 мкГн, вход которой соединен с основанием вертикального вибратора, второй катушки индуктивности L₂= 0,4 - 0,5 мкГн и первого конденсатора С₁ емкостью 300 - 350 пФ, выход которого соединен с внутренним проводником коаксиального кабеля в точке соединения с ним проводников вертикального вибратора, между входом первой катушки индуктивности L₁ и противовесом включен второй конденсатор C₂ емкостью 300 - 350 пФ, а между ее выходом и противовесом последовательно включены активное сопротивление R₁= 900 - 1000 Ом и третья катушка индуктивности L₃=0,8 - 0,9 мкГн, вход и выход второй катушки индуктивности L₂ соединены с противовесом через конденсатор C₂ и С₃ соответственно емкостью 330 пФ, а выход первого конденсатора C₁ соединен с противовесом через активное сопротивление R₂=430 - 510 Ом.