НЕСИММЕТРИЧНАЯ АНТЕННА Российский патент 2004 года по МПК H01Q9/18 

Несимметричная антенна относится к области антенной техники и предназначена для использования в радиотехнических системах различного назначения.

Известна несимметричная антенна [1], содержащая вертикальный вибратор, присоединенный к внутреннему проводнику коаксиального кабеля, N прямолинейных проводников противовеса, присоединенных под углом 145-150° к внешнему проводнику коаксиального кабеля, симметрично расположенных вокруг него, и N симметрично расположенных между ними прямолинейных проводников, присоединенных к вертикальному вибратору.

Наиболее близкой по технической 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 между ними прямолинейных проводников, присоединенных к вертикальному вибратору, имеющему 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° , 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 dn+1=dnτ, где n=1, 2, 3,... , N/2 - порядковый номер диаметрально расположенной пары прямолинейних 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 L1=0,4... 0,5 мкГн и первого конденсатора С1 емкостью 300... 350 пФ, выход которого соединен с внутренним проводникам коаксиального кабеля в точке соединения с ним проводников вертикального вибратора, между входом первой катушки индуктивности L2 и противовесом включен второй конденсатор С1 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 соединен с противовесам через конденсаторы С2 и С3 соответственно емкостью 330 пФ, а выход первого конденсатора С1 соединен с противовесом через активные сопротивления R2=430... 510 Ом.}

Как несимметричная антенна [1], так и несимметричная антенна [2] обладают общим недостатком - высоким уровнем неравномерности диаграммы направленности в азимутальной плоскости в широком диапазоне частот, что сказывается на качестве приема сигналов. Это обусловлено прежде всего резонансным характером входного сопротивления несимметричной антенны.

Техническая задача заключается в уменьшении неравномерности диаграммы направленности в азимутальной плоскости.

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 между ними прямолинейных проводников, присоединенных к вертикальному вибратору, имеющему 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° , 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 =0,2... 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 С2 емкостью 300-350 пФ, выход которого соединен с внутренним проводникам коаксиального кабеля в точке соединения с ним проводников вертикального вибратора, между входам первой катушки индуктивности L1 и противовесом включен второй конденсатор С2 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 конденсатор С3 и С4 соответственно, емкостью 330 пФ, а выход первого конденсатора С1 соединен с противовесом через активное сопротивление R2=430... 510 Ом, согласно изобретению прямолинейные проводники вертикального вибратора расположены в области его возбуждения под углом 15-25° в ортогональной к нему плоскости.}

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая антенна отличается новым расположением прямолинейных проводников вертикального вибратора - прямолинейные проводники вертикального вибратора расположены в области его возбуждения под углом 15-25° в ортогональной к нему плоскости. Таким образом, изобретение соответствует критерию изобретения "Новизна".

Анализ известных технических решений в известной области и смежной с ней позволяет сделать вывод, что известна несимметричная антенна, в которой прямолинейные проводники вертикального вибратора расположены в области его возбуждения в ортогональной к нему плоскости. Однако введение их в несимметричную антенну в области возбуждения вертикального вибратора под углом 15-25° в ортогональной к нему плоскости обеспечивает устройству такое новое свойство, как снижение уровня неравномерности диаграммы направленности в азимутальной плоскости в широком диапазоне частот.

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

Изобретение является промышленно применимым, 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 С₁, С₂, С₃, С₄ 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 С₁=300... 350 пФ, согласующего устройства 6 к внутреннему проводнику 2 коаксиального кабеля. В области возбуждения вибратора 1 в ортогональной к нему плоскости присоединены к внутреннему проводнику коаксиального кабеля под углом 15-25° прямолинейные проводники в количестве N≥ 16. К внешнему проводнику 4 коаксиального кабеля симметрично 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° . Общая длина каждой 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... 0,86, т.е. d_n+1 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 между входом первой катушки индуктивности L₁ и противовесом включен конденсатор С₂ емкостью 300-350 пФ, а между ее выходом и противовесом последовательно включены активное сопротивление R₁=900-1000 Ом и катушка индуктивности L₂=0,8... 0,9 мкГн. Вход и выход катушки индуктивности L₃ соединен с противовесом через конденсаторы C₃ и С₄ соответственно, емкостью 330 пФ, а выход первого конденсатора С₁ соединен с противовесам через активное сопротивление R₂=430... 510 Ом. Такая конструкция несимметричной антенны значительно снижает неравномерность диаграммы направленности в азимутальной плоскости в широком диапазоне рабочих частот.

Конструктивно элементы согласующего устройства установлены на плате, изготовленной из материала СТФ.2-35 размерами 75× 40.

Несимметричная антенна работает следующим образам.

При подаче высокочастотного сигнала по коаксиальному кабелю 2 в диапазоне длин волн, которому соответствует геометрическая длина вертикального вибратора 1 от 0,125λ до (3/4)λ , 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 последовательности включенному между основанием вертикального вибратора 1 и центральным проводникам коаксиального кабеля 2 согласующего устройства, состоящего из первой катушки индуктивности L₂, второй катушки индуктивности L₁, первого конденсатора С₁, второго конденсатора С₂, третьей катушки индуктивности L₃, активных сопротивлений R₁ и R₂, блокировочных конденсаторов С₃ и С₄ 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 устройствам начинает превосходить (3/4)λ , 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 биконической 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 логарифметически периодической антенне, участвует некоторая "активная область" проводников, длина которых близка к резонансной. С увеличением частот "активная область" перемещается, охватывая вибраторы все более меньших и меньших размеров. Это ведет к тому, что входное сопротивление несимметричной антенны практически чисто активное и постоянное в очень широкой полосе частот, а неравномерность диаграммы направленности в азимутальной плоскости при расположении прямолинейных проводников вертикального вибратора в области его возбуждения под углом 15-25° в ортогональной к нему плоскости незначительна.

При расположении прямолинейных проводников вертикального вибратора в области его возбуждения под углом <15° в ортогональной к нему плоскости неравномерность диаграммы направленности в диапазоне частот снижается до значений 0,1, а при углах >25° диаграмма направленности в азимутальной плоскости с ростом частоты приобретает многолепестковый характер.

Верхняя граница несимметричной антенны ограничена резонансной длиной проводников с минимальными размерами, конструктивными параметрами (количество проводников), степенью их взаимного влияния и паразитного излучения вибраторов с электрической длиной (3/4)λ ; (3/2)λ ; (5/2)λ 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 неравномерность диаграммы направленности в азимутальной плоскости составляют N≥ 16 при изменении их длины по закону геометрической прогрессии со знаменателем τ =0,8... 0,85 и расположении прямолинейных проводников вертикального вибратора в области его возбуждения под углом 15-25° к ортогональной к нему плоскости.

При этом неравномерность диаграммы направленности в азимутальной плоскости составляет не менее 0,5 при коэффициенте перекрытия рабочего диапазона по частоте 1-20 и КСВН≤ 3, что позволяет улучшить качество приема сигналов.

Источники информации

А.с. СССР №1413687, МПК H 01 Q 9/18.

Патент РФ №2168819 C2, МПК H 01 Q 9/18, 10.06.2001 (прототип).

Изобретение относится к области антенной техники и предназначено для использования в радиотехнических антеннах различного назначения. Техническим результатом является снижение неравномерности диаграммы направленности антенны в азимутальной плоскости. Несимметричная антенна содержит вертикальный вибратор, длиной 0,125 доли максимальной длины волны рабочего диапазона длин волн, присоединенный к внутреннему проводнику коаксиального кабеля, N прямолинейных проводников противовеса, присоединенных под углом 145-150° к внешнему проводнику коаксиального кабеля, симметрично расположенных между ними линейных проводников, расположенных между ними в области возбуждения вертикального вибратора под углом 15-25° в ортогональной к нему плоскости и присоединенных к центральному проводнику коаксиального кабеля и согласующего устройства, включенного в разрыв между основанием вертикального вибратора и точкой соединения с ним его проводников. Количество проводников вертикального вибратора и проводников противовеса выбрано четным N≥16. Введены прямолинейные проводники вертикального вибратора в области его возбуждения под углом 15-25° в ортогональной к нему плоскости. 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 между ними прямолинейных проводников, присоединенных к вертикальному вибратору, имеющему 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° , 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 α _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 dn+1=dnτ, 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 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 С2 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 С2 и С3 соответственно емкостью 330 пФ, а выход первого конденсатора С1 соединен с противовесом через активное сопротивление R2=430-510 Ом, отличающаяся тем, что прямолинейные проводники вертикального вибратора расположены в области его возбуждения под углом 15-25° в ортогональной к нему плоскости.}