НЕСИММЕТРИЧНАЯ АНТЕННА Российский патент 2003 года по МПК H01Q9/38 

Предлагаемое изобретение относится к области антенной техники и предназначено для использования в радиотехнических системах различного назначения в качестве сверхширокополосной антенны кругового обзора.

Известны несимметричные антенны [1], используемые в УКВ-радиостанциях, содержащие вертикальный вибратор (четвертьволновый штырь), N проводников противовеса и коаксиальный кабель. Конструктивное соединение вертикального вибратора с внутренним проводником коаксиального кабеля в большинстве практических случаев осуществляется через металлический конус, установленный вершиной вниз, а соединение проводников противовеса с внешним проводником коаксиального кабеля осуществляется через усеченный конус, установленный меньшим основанием вверх. При этом проводники противовеса располагаются вдоль образующей усеченного конуса. Однако при тонких по сравнению с длиной волны проводниках, из которых выполнены элементы таких несимметричных антенн, они обладают узкой полосой рабочих частот.

Известна несимметричная антенна [2], содержащая вертикальный вибратор, присоединенный к внутреннему проводнику коаксиального кабеля через соосный с ним металлический конус, установленный вершиной вниз, N≥3 штук прямолинейных проводников противовеса, равномерно присоединенных к большому основанию усеченного конуса, соединенного меньшим основанием с внешним проводником коаксиального кабеля. Пространство между металлическим конусом и усеченным конусом заполнено диэлектриком. Конфигурация и взаимное положение согласующих элементов, образованных металлическим конусом, усеченным конусом и диэлектриком, а также длина вертикального вибратора подобраны так, что рабочий диапазон частот по уровню коэффициента стоячей волны КСВ≤2 составляет примерно октаву.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству является несимметричная антенна [3], выбранная в качестве прототипа, содержащая вертикальный вибратор, присоединенный к внутреннему проводнику коаксиального кабеля, N проводников противовеса, присоединенных к внешнему проводнику коаксиального кабеля, и N симметрично расположенных между ними прямолинейных проводников, присоединенных к вертикальному вибратору под углом 140-155^o, на расстоянии (0,165-0,185)λ от верхнего его конца. Конфигурация согласующих элементов, образованных прямолинейными проводниками вертикального вибратора и проводниками противовеса, экспериментально подобрана так, что рабочий диапазон частот по уровню КСВ≤2 составляет примерно октаву при тонких по сравнению с длиной волны проводниках, из которых выполнены элементы несимметричной антенны.

Несимметричная антенна [2], как и несимметричная антенна [3], обладает общим существенным недостатком - малой полосой рабочих частот. Это обусловлено, прежде всего, резонансным характером их входного сопротивления.

Техническая задача заключается в расширении полосы рабочих частот.

Указанная задача достигается тем, что в несимметричной антенне, содержащей вертикальный вибратор, присоединенный к внутреннему проводнику коаксиального кабеля через соосный с ним металлический конус, установленный вершиной вниз, N прямолинейных проводников противовеса, расположенных вдоль образующей усеченного конуса симметрично вокруг его оси, присоединенных к большему основанию усеченного конуса, соединенного меньшим основанием с внешним проводником коаксиального кабеля, и N симметрично расположенных между ними прямолинейных проводников, присоединенных к вертикальному вибратору, согласно изобретению вертикальный вибратор выполнен в виде набора из М≥6 металлических стержней различной длины, равномерно расположенных по кромке основания металлического конуса, диаметр которого выбран в пределах (0,012-0,016)λ, где λ - наибольшая длина волны рабочего диапазона, а количество прямолинейных проводников вертикального вибратора и противовеса выбрано равным N≥8, при этом прямолинейные проводники вертикального вибратора выполнены длиной (0,073-0,075)λ, имеют общую с ним точку соединения с внутренним проводником коаксиального кабеля и расположены вдоль образующей металлического конуса под углом 75-80^o к его оси, прямолинейные проводники противовеса выполнены длиной (0,081-0,084)λ и расположены под углом 55-60^o к оси усеченного конуса, диаметр большего основания которого выбран в пределах (0,012-0,015)λ, длина первого металлического стержня с максимальной длиной l₁ выбрана равной (0,2-0,21)λ, а длина последующих l_n, n=l, 2, 3... M уменьшается с переменным коэффициентом q_n=0,8+0,01(n-l), т.е. l_n+1=l_nq_n, где n=1, 2, 3... M - порядковый номер металлического стержня.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая несимметричная антенна отличается наличием новых элементов - вертикальный вибратор выполнен в виде набора из М≥6 металлических стержней определенной длины, при этом определенным образом выбраны местоположения прямолинейных проводников вертикального вибратора и прямолинейных проводников противовеса, а также их размеры.

Таким образом, изобретение соответствует критерию "новизна".

Анализ известных технических решений в известной области и смежной с ней позволяет сделать вывод, что введенные элементы и указанные признаки 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, так как оно для специалиста явным образом не следует из уровня техники.

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

На фиг.1 представлен общий вид несимметричной антенны;
На фиг.2 - измеренное значение КСВ предложенной антенны;
На фиг. 3 - экспериментальные диаграммы направленности предложенной антенны в горизонтальной плоскости.

Несимметричная антенна (фиг. 1) содержит вертикальный вибратор, выполненный в виде набора из М=6 металлических стержней 1 различной длины, равномерно расположенных по кромке основания металлического конуса 2, установленного вершиной вниз, N≥8 прямолинейных проводников противовеса 3, присоединенных к большему основанию усеченного конуса 4, и N симметрично расположенных между ними прямолинейных проводников 5 вертикального вибратора, присоединенных к основанию металлического конуса 2. Прямолинейные проводники противовеса 3 расположены вдоль образующей усеченного конуса 4, симметрично вокруг его оси, а прямолинейные проводники 5 вертикального вибратора - вдоль образующей металлического конуса 2. Металлический конус 2 и усеченный конус 4 соединены между собой посредством изолятора 6. В вершине металлического конуса 2 установлен гальванически связанный с ним внутренний проводник 7 жесткого коаксиального кабеля, внешний проводник 8 которого расположен внутри усеченного конуса 4. Пространство между внутренним проводником 7 и внешним проводником 8 жесткого коаксиального кабеля заполнено диэлектриком 9. Конструктивно металлические стержни 1 и прямолинейные проводники 5 вертикального вибратора имеют общую точку соединения с внутренним проводником 7 жесткого коаксиального кабеля, расположенную в вершине металлического конуса 2.

Внешний проводник 8 жесткого коаксиального кабеля одним концом гальванически связан с меньшим основанием усеченного конуса 4, а на другом его конце выполнено резьбовое соединение 10 под разъем гибкого коаксиального кабеля питания. Конструктивно металлический конус 2 выполнен из трех составных частей: несущей конструкции 11, основания 12 и внутреннего проводника 7 жесткого коаксиального кабеля.

Несимметричная антенна работает следующим образом.

При подведении энергии к коаксиальному кабелю на частоте, совпадающей с резонансной частотой несимметричной антенны, образованной первым из металлических стержней 1 вертикального вибратора и прямолинейными проводниками противовеса 3, происходит ее возбуждение. На резонансной частоте входное сопротивление этой несимметричной антенны является чисто активным (реактивное сопротивление равно нулю). Изменение частоты относительно резонансной влево или вправо ведет к изменению активной составляющей и появлению значительной реактивной составляющей входного сопротивления, которая ведет к рассогласованию несимметричной антенны с питающим коаксиальным кабелем и, как следствие, к ограничению ее рабочего диапазона. Частотная характеристика такой несимметричной антенны носит ярко выраженный резонансный характер и подобна резонансной кривой высокодобротного колебательного контура. При подключении к вертикальному вибратору прямолинейных проводников 5 происходит снижение добротности и расширение рабочей полосы частот несимметричной антенны, образованной металлическим стержнем 1, прямолинейными проводниками 5 вертикального вибратора и прямолинейными проводниками противовеса 3. При выполнении вертикального вибратора в виде набора из М металлических стержней 1 различной длины с ростом частоты происходит последовательное их возбуждение. При этом их резонансные кривые последовательно располагаются на частотной оси, пересекаясь на некотором уровне, определяющем степень согласования такой несимметричной антенны с питающим коаксиальным кабелем в суммарной полосе частот металлических стержней 1. По характеру зависимости входного сопротивления от частоты такая несимметричная антенна становится подобной системе с распределенными параметрами либо системе связанных контуров. Степень ее согласования с питающим коаксиальным кабелем зависит от характера и величины полных проводимостей, вносимых металлическими стержнями 1, их количества и закона распределения их длины, которые подбирались экспериментально применительно к 50-омному коаксиальному кабелю. Наличие обужения рабочей полосы частот металлических стержней 1 с ростом частоты, обусловленное их взаимным влиянием, компенсируется, с одной стороны, выбором значения коэффициента q_n= 0,8+0,01(n-1), возрастающим с ростом порядкового номера n металлического стержня 1, и выбором равномерного расположения металлических стержней 1 вдоль кромки основания металлического конуса 2, с другой стороны, последний фактор обусловливает увеличение с ростом порядкового номера n электрического расстояния (расстояния, отнесенного к резонансной длине волны) между соседними металлическими стержнями 1. В результате различия в длинах соседних металлических стержней 1 и в их резонансных частотах уменьшаются с ростом их порядковых номеров. Это обеспечивает постоянство уровня пересечения резонансных кривых металлических стержней 1 на частотной оси и степени согласования несимметричной антенны с коаксиальным кабелем в суммарной полосе частот. При выбранных экспериментально значениях q_n=0,8+0,1(n-1), длине первого металлического стержня l₁=(0,2-0,21)λ и количестве металлических стержней 1, равном 6 (М=6), такая конструкция несимметричной антенны обеспечивает удовлетворительное согласование входного сопротивления с 50-омным коаксиальным кабелем в трехкратной полосе частот, т.е. в интервале электрических длин металлических стержней 1 от λ/4 до 3λ_т/4, где λ_т - текущее значение длины волны.

При дальнейшем росте частоты электрическая длина вертикального вибратора становится соизмеримой с текущей длиной волны, что ведет к резкому возрастанию активной составляющей входного сопротивления и существенному снижению эффективности его возбуждения. В то же время длина прямолинейных проводников 5 вертикального вибратора и прямолинейных проводников противовеса 3 становятся соизмеримы с четвертью текущей длины волны (λ_т/4) и начинают эффективно возбуждаться от питающего коаксиального кабеля. При этом прямолинейные проводники 5 вертикального вибратора, расположенные вдоль образующей металлического конуса 2 и связанные с внутренним проводником 7 коаксиального кабеля, образуют совместно с прямолинейными проводниками противовеса 3, расположенными вдоль образующей усеченного конуса 4 и связанными с внешним проводником 8 коаксиального кабеля, биконическую антенну. Степень согласования такой биконической антенны с питающим коаксиальным кабелем зависит от длины прямолинейных проводников 5 вертикального вибратора и длины прямолинейных проводников противовеса 3, а также углов их расположения относительно вертикальной оси. Значения этих параметров подбирались экспериментально. При выбранных параметрах такая конструкция биконической антенны обеспечивает согласование с 50-омным коаксиальным кабелем по уровню КСВ<3 в шестикратном диапазоне частот, а несимметричная антенна в целом - в диапазоне частот с отношением более чем 1:20.

Оценка работы предложенной несимметричной антенны осуществлялась на макете со следующими конструктивными параметрами:
- диаметр основания металлического конуса - 112 мм;
- диаметр большего основания усеченного конуса - 70 мм;
- угол при вершине металлического конуса - 78^o;
- угол при вершине усеченного конуса - 60^o;
- длина прямолинейных проводников вертикального вибратора - 370 мм;
- длина прямолинейных проводников противовеса - 412 мм;
- длина первого металлического стержня l₁=1000 мм.

На фиг. 2 приведены измеренные значения КСВ несимметричной антенны в диапазоне частот 60-1500 МГц, а на фиг.3 - диаграммы направленности в горизонтальной плоскости. Анализ их показывает, что по уровню КСВ<3 рабочий диапазон предложенной антенны простирается от 60 до 1450 МГц. В низкочастотной части диапазона она имеет круговую диаграмму направленности. При повышении частоты, начиная с 1200 МГц, диаграмма направленности становится многолепестковой с отношением Е_мин/Е_макс<0,7, где Е_мин, Е_макс - минимальное и максимальное значение напряженности поля соответственно, причем неравномерность увеличивается с ростом частоты.

Таким образом, рабочий диапазон предложенной антенны ограничивается на низкой частоте большим значением КСВ, а на высокой частоте - неравномерностью диаграммы направленности. По уровню КСВ<3 и неравномерности диаграммы направленности Е_мин/Е_макс<0,7 рабочий диапазон предложенной несимметричной антенны составил от 60 до 1200 МГц, т.е. отношение крайних частот 1:20.

Положительный эффект заключается в том, что предложенная несимметричная антенна в силу своей сверхширокополосности может заменить три-четыре антенны. Кроме того, одну антенну легче разместить на объекте и не ухудшить ее характеристики, чем три или четыре антенны.

Источники информации
1. Н.П. Гавель, А.Д. Истрашкин, Ю.К. Муравьев, Б.П. Серков. Антенны, часть 2. Л.: ВКАС 1961, с. 22.

2. Авторское свидетельство SU 1413686 А1, кл. H 01 Q 9/18, 30.07.1988.

3. Авторское свидетельство SU 1413687 А1, кл. H 01 Q 9/18, 30.07.1988.

Изобретение относится к антенной технике и предназначено для использования в радиотехнических системах различного назначения в качестве сверхширокополосной антенны кругового обзора. Технический результат заключается в расширении полосы рабочих частот. Антенна содержит вертикальный вибратор, выполненный в виде М металлических стержней различной длины, равномерно расположенных по кромке основания металического конуса, установленного вершиной вниз, N симметрично расположенных прямолинейных проводников вертикального вибратора, присоединенных к основанию металлического конуса, и N прямолинейных проводников противовеса, присоединенных к большему основанию усеченного конуса. Металлический и усеченный конусы соединены между собой посредством изолятора. Прямолинейные проводники противовеса и вертикального вибратора расположены вдоль образующих усеченного и металлического конусов соответственно. Металлические стержни и прямолинейные проводники вертикального вибратора имеют общую точку соединения с внутренним проводником коаксиального кабеля. 3 ил.

Несимметричная антенна, содержащая вертикальный вибратор, присоединенный к внутреннему проводнику коаксиального кабеля через соосный с ним металлический конус, установленный вершиной вниз, N прямолинейных проводников противовеса, расположенных вдоль образующей усеченного конуса, симметрично вокруг его оси, присоединенных к большему основанию усеченного конуса, соединенного меньшим основанием с внешним проводником коаксиального кабеля, и N симметрично расположенных между ними прямолинейных проводников вертикального вибратора, присоединенных к нему, отличающаяся тем, что вертикальный вибратор выполнен в виде набора из М≥6 металлических стержней различной длины, равномерно расположенных по кромке основания металлического конуса, диаметр которого выбран в пределах (0,012-0,016)λ, где λ - наибольшая длина волны рабочего диапазона, а количество прямолинейных проводников вертикального вибратора и противовеса выбрано равным N≥8, при этом прямолинейные проводники вертикального вибратора выполнены длиной (0,073-0,075)λ, имеют общую с ним точку соединения с внутренним проводником коаксиального кабеля и расположены вдоль образующей металлического конуса под углом 75-80^o к его оси, прямолинейные проводники противовеса выполнены длиной (0,081-0,084)λ и расположены под углом 55-60^o к оси усеченного конуса, диаметр большего основания которого выбран в пределах (0,012-0,015)λ, длина первого металлического стержня с максимальной длиной l₁ выбрана равной (0,2-0,21)λ, а длина последующих l_n уменьшается с переменным коэффициентом q_n= 0,8+0,01(n-1), т. е. l_n+1=l_n•q_n, где n=1,2,3...M - порядковый номер металлического стержня.