ВИБРАТОРНАЯ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНАЯ АНТЕННА С РАСШИРЕННЫМ РАБОЧИМ ДИАПАЗОНОМ Российский патент 2006 года по МПК H01Q9/16 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к технике СВЧ-антенн, и может быть использовано для приема и излучения электромагнитных волн в радиоэлектронных устройствах различного назначения, например в широкополосной линии связи, в том числе в радиолокационных и иных потребительских средствах связи.

Известно широкое разнообразие вибраторных антенн, обладающих расширенным рабочим диапазоном волн, достигаемым конструктивными особенностями их выполнения.

Наиболее простыми решениями расширения рабочего диапазона частот вибраторной антенны являются известные сдвоенные антенны, например установленные на телескопической или разборной мачте сдвоенные дискоконусные антенны: верхняя - в диапазоне дециметровых волн и нижняя - в диапазоне метровых волн (см. книгу Ильницкого Л.Я. и Болбота А.А. Антенные устройства аэропортов гражданской авиации. М.: «Транспорт», 1983, с. 173-174, рис. 8.7), и комбинированные антенны, например двухдиапазонная антенна с общим устройством суммирования сигналов обоих диапазонов (см. заявку ФРГ №2262511, Н 01 Q 21/30, 1979).

Недостатками таких антенн являются усложнение конструкции из-за использования для расширения рабочего диапазона частот возможностей двух антенн с двумя фидерами и общего устройства смешения сигналов в приведенной в качестве примера комбинированной антенне, а также связанное с этим в обоих типах антенн ухудшение габаритных и других эксплуатационных характеристик, в частности неудобство при транспортировке и сборке. Комбинированная антенна характеризуется еще и ухудшенными электрическими свойствами - потерями электромагнитной энергии в результате введения в нее дополнительной омической нагрузки.

Более просты в конструкции вибраторные антенны с расширенным рабочим диапазоном волн за счет широкополосных вибраторов, например в виде ряда вибраторов, запитанных симметричным фидером, с симметричными продольными плечами, запитанными противофазно (см. авторское свидетельство СССР №1054853, Н 01 Q 11/10, 1983), и на основе одного вибратора, например кольцевого объемной конструкции с двумя симметричными изогнутыми плечами, работающими в качестве проводящих поверхностей, образующими концами с одной стороны антенный вход и связанными через импедансную нагрузку соседними концами с другой стороны и имеющими в средней расширенной части зазор с коротким замыканием половинок плеча через такую же нагрузку (см. заявку ФРГ №1945850, 1981).

У этих антенн габариты также увеличены, из-за чего снижены такие эксплуатационные характеристики, как неудобство в транспортировке или при установке, а также у кольцевой антенны увеличены потери электромагнитной энергии вследствие наличия в плечах вибратора нагрузок.

Более удачно, с точки зрения эксплуатационных требований, конструктивное решение обеспечения двух рабочих диапазонов частот от 100 до 150 МГц и от 220 до 400 МГц в антенне ШДА-15, разработанной в 2002 г. и представляющей собой симметричный биконический вибратор упрощенной конструкции в результате образования шестью линейными элементами конической поверхности ее широкополосных плеч (см. Технические условия ИТЯ.464651.111 ТУ. Антенна ШДА-15. Лист.4 и Руководство по эксплуатации ИТНЯ.464641.070РЭ. Устройство антенно-мачтовое АМУ-15. Листы 2, 16 и 43).

Однако и этот представитель автоматически развертывающихся связных антенн, выполненный с возможностью складывания антенны и втягивания ее внутрь телескопической мачты, удобный при транспортировке и хранении, имеет такие недостатки, как пониженная механическая прочность рабочих элементов антенны из-за выполнения плеч в виде металлических стержней, что может сказываться на стабильности рабочих параметров антенны, определенный резерв снижения массогабаритных показателей антенны, т.к. при массе 6,5 кг самой антенны и ˜300 кг антенны с приводом конструкция осуществлена в стационарном исполнении на транспортном средстве с габаритными неудобствами и недостаточно надежна в связи с усложнением автоматического механизма привода развертывания антенны.

Наиболее близким заявляемой антенне по технической сущности является известный симметричный диапазонный шунтовый вибратор Г.З. Айзенберга, в котором для расширения рабочего диапазона частот наряду с уменьшением волнового сопротивления продольных плеч вибратора, выполненных для этого из проводящих пластин с большим периметром поперечного сечения, осуществлено выполнение вибраторной антенны из двух частей с различной частотной зависимостью входных сопротивлений в виде плеч, имеющих с одной стороны соединение соседних концов плеч с запитывающим фидером и короткозамкнутых между собой в промежутке между концами плеча посредством проводящей перемычки (см. книгу Кочержевского Г.Н. и др. Антенно-фидерные устройства. М.: «Радио и связь», 1989, с. 138-141, рис. 7.3 а).

Выбранный прототип характеризуется при расширении рабочего диапазона волн увеличением массогабаритных параметров антенны, снижающим ее эксплуатационные характеристики, в частности ухудшающим удобство хранения, транспортировки и установки средств связи, а также необходимостью наличия специального симметрирующего устройства при питании симметричного вибратора несимметричным коаксиальным кабелем.

Технический результат предлагаемого изобретения - повышение перекрытия диапазона волн при удовлетворительном согласовании и усилении с возможностью возбуждения с помощью коаксиальной линии без применения симметрирующего устройства и улучшенными эксплуатационными характеристиками за счет грозозащиты без дополнительных приспособлений и снижения массогабаритных показателей антенны и повышения удобства хранения, транспортировки и установки антенны, что особенно актуально в связи с насыщенным размещением радиолокационного оборудования в транспортных средствах, а также повышение технологичности изготовления и модернизируемости с возможностью наращивания дополнительных звеньев для расширения частотной полосы, улучшенная ремонтоспособность и расширение области применения.

Указанный технический результат достигается тем, что в вибраторной СВЧ-антенне с расширенным рабочим диапазоном волн на основе широкополосных в диапазоне метровых - дециметровых волн симметричных полуволновых вибраторов, состоящих из двух плеч, выполненных из широкой полосы проводящего материала, имеющих с одной стороны соединение соседних концов плеч с запитывающим фидером и короткозамкнутых между собой в промежутке между концами плеча посредством проводящей перемычки, плечи вибратора выполнены в виде разворачивающихся в плоскости плеча звеньев, представляющих собой широкие плоские полукольца, полудиски, уголки, треугольники и иные многоугольные фигуры, изготовленные из проводящего материала и шарнирно соединенные концами между собой с возможностью обеспечения их гальванического контакта и фиксацией их рабочего взаимного расположения в виде змейки, зигзага и иной ломаной линии, например -, -образного рабочего расположения звеньев в количестве трех и более или -, - образного рабочего расположения звеньев в количестве двух и более, в составе правого плеча вибратора с зеркально отраженным указанным рабочим расположением звеньев для левого плеча вибратора в соответствии с фиг.1 и 2 к описанию изобретения, при этом средние точки верхних полуколец или уголков двух трехзвенных плеч или точки участков соединения полуколец или уголков между собой двух двухзвенных плеч вибратора короткозамкнуты посредством проводящей перемычки, а ширина плоского плеча составляет 0,04-0,05 от средней длины волны метрового диапазона в рабочей полосе частот антенны.

Предусмотрено выполнение средств фиксации рабочего взаимного расположения звеньев плеча, совмещенных с конструктивными элементами обеспечения их гальванического контакта между собой, например, в виде болтовых соединений через отверстия на плоских участках гальванического контакта звеньев, при этом отверстия выполнены дугообразными с возможностью настроечных фиксаций звеньев плеча, а сами звенья плеч вибратора могут быть выполнены из металлической пластины или печатной платы.

Конструкция антенны допускает складывание за счет возможности разворота плеч вибратора вокруг оси зеркальной симметрии вибратора, а короткозамыкающая перемычка имеет среднюю осевую точку своего шарнирного перелома, обеспечивающую возможность складывания половинок перемычки без нарушения гальванического контакта между ними при раскладывании перемычки.

При этом в звеньях плеч вибраторов антенны выполнены отверстия для фиксации повышающих жесткость антенной конструкции поперечных перемычек, закрепляемых вдоль периметра антенны в горизонтальной плоскости при ее установке, а сами поперечные перемычки изготовлены из диэлектрического материала, не влияющего на входное сопротивление антенны.

Конструктивные особенности предлагаемой антенны, обладающей работоспособностью в расширенном рабочем диапазоне волн с возможностью одновременной работы в метровом и дециметровом диапазонах волн и значительным упрощением конструкции в случае ограничения числа звеньев в плече одним и за счет отсутствия в заявляемой антенне отдельного симметрирующего устройства, позволяют в результате обеспечения сворачивания звеньев плеч в плоскости плеча, а также складывания плеч их поворотом вокруг вертикальной центральной оси вибраторов уменьшить габаритные показатели антенны и тем самым повысить удобство хранения, транспортировки и установки антенны.

Небольшие размеры отдельных одинаковых звеньев плеч вибраторов антенны повышают технологичность ее изготовления из металлической пластины или печатной платы, в последнем варианте изготовления (из печатной платы) антенна значительно облегчена по массе, а шарнирное соединение звеньев плеч между собой улучшает технологичность настройки и регулирования рабочего режима антенны за счет возможности изменения расстояния между плечами вибратора.

Сама конструкция антенны легко модернизируема в результате облегченного присоединения дополнительных звеньев и наращивания плеч вибраторов для расширения частотного диапазона, а также ремонтоспособна в различных условиях эксплуатации.

Возможность приближения с помощью формирования диаграмм направленности несколькими вибраторами с вертикальными плоскими плечами, радиально размещенными в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной центральной оси антенны, к режиму работы связной антенны с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости расширяет область применения заявляемой антенны от специализированных связных антенн до телевизионных антенн.

Конструкция антенны в связи с замкнутостью симметричных плеч вибратора обладает грозозащитой.

В источниках информации антенна с заявляемой совокупностью конструктивных признаков, обеспечивающей сочетание изложенных характеристик, а именно повышение ее эксплуатационных характеристик, и достижение приемлемых рабочих параметров антенны в условиях значительного перекрытия рабочего диапазона волн, не обнаружена.

На фиг.1 и 2 представлены различные варианты исполнения предлагаемой антенны; на фиг.3 - результаты измерения зависимости коэффициента стоячей волны от частоты, характеризующей согласование вибратора антенны в вариантах исполнения на фиг.1 и 2 и варианте исполнения на фиг.1 без короткозамкнутой перемычки.

Заявляемая антенна выполнена на основе широкополосных симметричных полуволновых вибраторов, состоящих из двух плеч 1, каждое из которых содержит три (см. фиг.1) или два (см. фиг.2) соединенных между собой звена 2, каждое - в виде широкого плоского полукольца (в данном примере исполнения) из проводящего материала, с помощью шарнирных соединений 3 на концах звеньев для разворачивания звеньев 2 из свернутого положения (одно полукольцо) в рабочее взаимное расположение звеньев в виде змеек: или , показанных на фиг.1 и 2, с фиксацией конфигурации и обеспечением гальванического контакта электрически соединяемых участков звеньев 2 вдоль края плеча 1 посредством, например, болтовых соединений через отверстия 4 на плоских участках гальванического контакта звеньев 2 с выполнением отверстий 4 дугообразными для настроечной фиксации звеньев 2 (на фигурах дугообразность отверстий 4 не показана).

Вибратор имеет с одной стороны соединения 5 соседних концов плеч 1 с запитывающим фидером и в промежутке между конами плеча 1 короткое замыкание плеч между собой посредством проводящей перемычки 6, соединяющей средние точки верхних полуколец двух трехзвенных плеч 1 (см. фиг.1) или точки участков соединения полуколец между собой двух двухзвенных плеч 1 (см. фиг.2).

При этом ширина плоского плеча 1, в данном примере полукольца, составляет 0,04-0,05 от средней длины волны метрового диапазона в рабочей полосе частот антенны с обеспечением электрической длины от точек возбуждения по внешнему и внутреннему контуру плеча 2 в сумме, равной половине средней длины волны рабочего диапазона, а звенья 2 плеч 1 вибратора могут иметь форму также и полудиска, уголка, треугольника и иной многоугольной фигуры с образованием в рабочем расположении звеньев также зигзаговую: или (на фигурах зигзаговая форма исполнения вибратора не показана) и иную ломаную линию.

Антенна может состоять из одного и более звеньев 2 и самих вибраторов, образующих складывающуюся конструкцию антенны за счет возможности разворота плеч 1 вокруг оси зеркальной симметрии 7 вибратора и шарнирного перелома в средней точке 8 замыкающей перемычки 6 без нарушения гальванического контакта между ее половинками.

При этом в звеньях 2а плеч 1 вибратора выполнены отверстия 9 для фиксации в них поперечных перемычек, повышающих жесткость антенной конструкции, закрепляемых при установке антенны вдоль ее периметра в горизонтальной плоскости и изготовленных из диэлектрического материала, не влияющего на входное сопротивление антенны (поперечные перемычки на фигурах не показаны).

Антенна работает в режиме вертикально-горизонтальной поляризации с удовлетворительным согласованием в широком диапазоне частот. Экспериментально подтверждены расширенный рабочий диапазон волн антенны от 50 до 620 МГц (с 10-кратным перекрытием) с согласованием вибратора антенны в двух вариантах исполнения на фиг.1 и 2 (кривые 1 и 2 на фиг.3), улучшенным в сравнении с согласованием вибратора в варианте исполнения на фиг.1 без короткозамыкающей перемычки (кривая 3 на фиг.3).

Антенна обеспечивает рабочий режим с коэффициентом усиления ˜1 дБ в метровом и ˜3 дБ в дециметровом диапазоне волн.

Антенна работоспособна при подключении к точкам 5 коаксиального кабеля без симметрирующего устройства и не требует смесительного устройства, отсутствие которых положительно сказываются на согласовании вибратора с фидером в широкой полосе частот, а также без дополнительного грозозащитного приспособления.

За счет свертывания плеч 1 поворотом звеньев 2 вокруг осей шарнирных соединений 3 и складывания плеч 1 их поворотом вокруг вертикальной оси 8 достигается компактность антенны при транспортировке с габаритными размерами 17 см × 35 см при ширине полукольца ˜9,5 см (габаритная высота зависит от количества звеньев).

Изобретение относится к технике СВЧ-антенн. Техническим результатом является расширение диапазона при удовлетворительном согласовании и усилении, возможность возбуждения с помощью коаксиальной линии без симметрирующего устройства, улучшение эксплуатационных характеристик. Сущность изобретения состоит в том, что каждое плоское плечо симметричного полуволнового вибратора выполнено из трех широких проводящих полуколец, шарнирно соединенных между собой концами и разворачивающихся в - образное рабочее положение. Плечи вибратора зеркально симметричны и в средних точках верхних полуколец короткозамкнуты между собой посредством проводящей перемычки. Каждое плечо вибратора может быть выполнено из двух шарнирно соединенных полуколец, разворачивающихся в - образное рабочее положение. При этом плечи короткозамкнуты на участках шарнирного соединения полуколец. Ширина плоского плеча составляет 0,04-0,05 от средней длины волны метрового диапазона в рабочей полосе частот антенны. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Вибраторная СВЧ-антенна с расширенным рабочим диапазоном волн на основе широкополосных в диапазоне метровых - дециметровых волн симметричных полуволновых вибраторов, состоящих из двух плеч, выполненных из широкой полосы проводящего материала, имеющих с одной стороны соединение соседних концов плеч с запитывающим фидером и короткозамкнутых между собой в промежутке между концами плеч посредством проводящей перемычки, отличающаяся тем, что плечи вибратора выполнены в виде разворачивающихся в плоскости плеча звеньев, представляющих собой широкие плоские полукольца, изготовленные из проводящего материала и шарнирно соединенные концами между собой с возможностью обеспечения их гальванического контакта и фиксацией - образного рабочего расположения звеньев в количестве трех в составе правого плеча вибратора с зеркально отраженным указанным рабочим расположением звеньев для левого плеча вибратора, при этом средние точки верхних полуколец двух трехзвенных плеч короткозамкнуты посредством проводящей перемычки, а ширина плоского плеча составляет 0,04-0,05 средней длины волны метрового диапазона в рабочей полосе частот антенны.2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что средства фиксации рабочего взаимного расположения звеньев плеча выполнены совмещенными с конструктивными элементами обеспечения гальванического контакта звеньев между собой, например, в виде болтовых соединений через отверстия на плоских электрически контактируемых участках звеньев.3. Антенна по п.2, отличающаяся тем, что отверстия на плоских участках гальванического контакта звеньев между собой под болтовые соединения выполнены дугообразными с возможностью настроечных фиксаций звеньев плеча.4. Антенна по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что звенья плеч вибратора выполнены из металлической пластины или печатной платы.5. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что ее конструкция выполнена складывающейся за счет разворота плеч вибратора вокруг оси зеркальной симметрии вибратора, а короткозамыкающая перемычка имеет среднюю осевую точку своего шарнирного перелома, обеспечивающую возможность складывания половинок перемычки без нарушения гальванического контакта между ними при раскладывании перемычки.6. Антенна по п.5, отличающаяся тем, что в звеньях плеч вибраторов выполнены отверстия для фиксации повышающих жесткость антенной конструкции поперечных перемычек, закрепляемых вдоль периметра антенны в горизонтальной плоскости, при этом поперечные перемычки изготовлены из диэлектрического материала, не влияющего на входное сопротивление антенны.7. Вибраторная СВЧ-антенна с расширенным рабочим диапазоном волн на основе широкополосных в диапазоне метровых - дециметровых волн симметричных полуволновых вибраторов, состоящих из двух плеч, выполненных из широкой полосы проводящего материала, имеющих с одной стороны соединение соседних концов плеч с запитывающим фидером и короткозамкнутых между собой в промежутке между концами плеча посредством проводящей перемычки, отличающаяся тем, что плечи вибратора выполнены в виде разворачивающихся в плоскости плеча звеньев, представляющих собой широкие плоские полукольца, изготовленные из проводящего материала и шарнирно соединенные концами между собой с возможностью обеспечения их гальванического контакта и фиксацией - образного рабочего расположения звеньев в количестве двух в составе правого плеча вибратора с зеркально отраженным указанным рабочим расположением звеньев для левого плеча вибратора, при этом точки участков соединения полуколец между собой двух двухзвенных плеч короткозамкнуты посредством проводящей перемычки, а ширина плоского плеча составляет 0,04-0,05 средней длины волны метрового диапазона в рабочей полосе частот антенны.8. Антенна по п.7, отличающаяся тем, что средства фиксации рабочего взаимного расположения звеньев плеча выполнены совмещенными с конструктивными элементами обеспечения гальванического контакта звеньев между собой, например, в виде болтовых соединений через отверстия на плоских электрически контактируемых участках звеньев.9. Антенна по п.8, отличающаяся тем, что отверстия на плоских участках гальванического контакта звеньев между собой под болтовые соединения выполнены дугообразными с возможностью настроечных фиксаций звеньев плеча.10. Антенна по любому из пп.7-9, отличающаяся тем, что звенья плеч вибратора выполнены из металлической пластины или печатной платы.11. Антенна по п.7, отличающаяся тем, что ее конструкция выполнена складывающейся за счет разворота плеч вибратора вокруг оси зеркальной симметрии вибратора, а короткозамыкающая перемычка имеет среднюю осевую точку своего шарнирного перелома, обеспечивающую возможность складывания половинок перемычки без нарушения гальванического контакта между ними при раскладывании перемычки.12. Антенна по п.11, отличающаяся тем, что в звеньях плеч вибраторов выполнены отверстия для фиксации повышающих жесткость антенной конструкции поперечных перемычек, закрепляемых вдоль периметра антенны в горизонтальной плоскости, при этом поперечные перемычки изготовлены из диэлектрического материала, не влияющего на входное сопротивление антенны.