АНТЕННА Российский патент 2008 года по МПК H01Q9/02 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в геометрически-электрически коротких антеннах для ведения радиосвязи и навигации в совмещенных диапазонах рабочих частот от 0,3 до 6000 МГц.

Известны конструкции антенн, в которых с целью уменьшения геометрической длины и увеличения электрической длины токоведущего вибратора антенны используются индуктивные нагрузки (см. Овсяников В.В. Вибраторные антенны с реактивными нагрузками. - М.: Радио и связь, 1985, с. 12-15,29-41).

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой конструкции является антенна, выбранная в качестве прототипа, представленная в а.с. СССР №1478272, кл. Н01Q 9/02, 7.05.89, бюл. №17.

Недостатком известной конструкции антенны, выполненной в виде высокочастотной линии без потерь - без дополнительных активных сопротивлений, является узкая полоса пропускания рабочих частот в диапазоне длинных рабочих волн.

Указанный недостаток нежелателен, так как уменьшает эксплуатационные функциональные возможности геометрически-электрически коротких вибраторных антенн.

Целью изобретения является увеличение эксплуатационных функциональных возможностей вибраторных антенн в непрерывном диапазоне длинных и коротких рабочих волн.

Поставленная цель достигается тем, что в конструкцию антенны, установленной на горизонтальном экране, содержащей вертикальный токоведущий вибратор, электрически соединенный с центральным токоведущим проводником коаксиального фидера, внешний цилиндрический проводник которого электрически соединен с горизонтальным экраном, и прямолинейные проводящие проводники, электрически разомкнутые на концах и расположенные на внешней изолированной поверхности вертикального токоведущего вибратора вдоль осевой длины равномерно согласно изобретения введено изолированное устройство цилиндрической формы, установленное в вершине вертикального токоведущего вибратора, содержащее изолированный токоведущий проводник длиной, равной 0,25λ, n проводящих цилиндров, установленных коаксиально изолированными поверхностями, и токоведущий штырь, при этом геометрическая длина изолированного токоведущего проводника устройства расположена в виде неразрывной петли на изолированной поверхности каждого проводящего цилиндра устройства вдоль образующей равномерно, а токоведущий штырь выполнен в виде отдельных изолированных прямолинейных проводников, электрически соединенных между собой и расположенных на изолированной внешней поверхности последнего из n проводящих цилиндров устройства вдоль образующей равномерно, вертикальный токоведущий вибратор электрически соединен верхним концом через изолированный токоведущий проводник устройства с токоведущим штырем устройства, где λ - длина волны нижней рабочей частоты антенны, a n=1, 2, 3, ....

Сопоставительный анализ с конструкцией антенны, выбранной в качестве прототипа, показывает, что заявляемая конструкция антенны отличается введенным изолированным устройством цилиндрической формы, установленным в вершине вертикального токоведущего вибратора и электрически соединенным с ним. Это позволяет сделать вывод, что заявляемая конструкция антенны соответствует критерию «новизна».

Сравнение заявляемого технического решения с известными решениями показывает:

- известны конструкции антенн, выполненные в виде высокочастотной линии без потерь - без дополнительных активных сопротивлений, которая содержит два изолированных электрически разомкнутых на концах проводника, при этом первый проводник высокочастотной линии электрически соединен с высокочастотным генератором и является токоведущим, а второй - пассивный и в зависимости от внешней емкостной связи, расстояния между проводниками высокочастотной линии, пассивно возбуждается электромагнитным полем первого токоведущего проводника, оказывая электродинамическое влияние за счет наводимых дополнительных электродвижущих сил у поверхности первого токоведущего проводника, изменяя распределение тока и входные характеристики антенны (например, см. а.с. СССР №1601669, кл. Н01Q 9/02, 23.10.90, бюл. №39);

- известны конструкции антенн, которые содержат элементы, выполненные в виде высокочастотной линии без потерь (например, см. Овсяников В.В. Вибраторные антенны с реактивными нагрузками. - М.: Радио и связь, 1985, с.46-49).

Однако введение высокочастотной линии без потерь, установленной в вершине вертикального токоведущего вибратора, выполненной в виде изолированного устройства цилиндрической формы, в которой выбранная геометрическая длина изолированного токоведущего проводника расположена на изолированной проводящей поверхности пассивного проводника, электрически разомкнутого на концах, выбранной геометрической формы с сильной внешней емкостной связью и, соответственно, с сильным электродинамическим влиянием, равномерно распределенным по геометрической длине изолированного токоведущего проводника за счет проводящей поверхности пассивного проводника, электрическое соединение верхнего конца вертикального токоведущего вибратора через геометрическую длину изолированного токоведущего проводника с токоведущим штырем высокочастотной линии устройства обеспечивает заявляемой конструкции антенны новое свойство - увеличение электрической длины и режим близки к режиму бегущей волны тока и напряжения в непрерывном совмещенном диапазоне длинных и коротких рабочих волн антенны. Это позволяет сделать вывод, что заявляемое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень».

На фиг.1 представлен пример конструкции заявляемой антенны, содержащей основные элементы и электрические соединения согласно формулы изобретения: конструкция антенны высотой Н=3,2 м для KB диапазона длинных и коротких рабочих волн 1,5-30,0 МГц. На фиг.1 с целью наглядности изображения конструктивно-электрической схемы проводящие цилиндры устройства представлены в развернутом виде и не показаны элементы конструкции, которые обеспечивают электрическую изоляцию и механическую прочность.

На фиг.2 представлено экспериментальное подтверждение - частотная зависимость коэффициента стоячей волны (КСВ) в KB диапазоне длинных и коротких волн 1,5-30,0 МГц, полученная на макете антенны заявляемой конструкции.

Заявляемая конструкция антенны (см. фиг.1) содержит: диэлектрическую трубу 1, которая является несущей конструкцией устройства, длиной 600 мм и внешним диаметром 15,0 мм ×2,0 мм, установленную в вершине во внутренней полости металлической трубы вертикального токоведущего вибратора 5 таким образом, что длина выступающей части равна 550 мм;

проводящие цилиндры 2 (n=11), выполненные, соответственно, из 11 отрезков металлической фольги типа НДМ1 ГОСТ 5638-75 толщиной 0,5 мм и длиной, образующей 500 мм, расположенные на внешней поверхности диэлектрической трубы 1 так, что расстояние между нижней кромкой проводящих цилиндров 2 и верхней кромкой металлической трубы вертикального токоведущего вибратора 5 равно 50 мм и установленные поочередно коаксиально относительно друг друга на изолированной внешней поверхности вдоль образующей равномерно по диаметру в виде неразрывной петли изолированного токоведущего проводника 3, при этом изоляция поверхности каждого проводящего цилиндра 2 выполнена фторопластовой лентой типа Ф-430 ТУ 05-2004-86 толщиной 0,05 мм последовательно два раза, а внешний диаметр цилиндра равен 40 мм;

изолированный токоведущий проводник 3, выполненный из отрезка изолированного провода типа ПЭВ-2-1,5 ГОСТ 7262-76 длиной 50,0 м (0,25 длины волны нижней рабочей частоты 1,5 МГц) и электрически соединенного первым концом, расположенным на первом проводящем цилиндре 2, с токоведущим штырем 4, а вторым концом - с расположенным на предпоследнем, десятом, проводящем цилиндре 2 с верхним концом вертикального вибратора 5;

токоведущий штырь 4, расположенный на изолированной внешней поверхности последнего, одиннадцатого, проводящего цилиндра 2 и выполненный из четырех прямолинейных отрезков металлической фольги типа НДМ1 ГОСТ 5638-75 длиной 500 мм, шириной 10 мм и толщиной 0,5 мм, причем прямолинейные отрезки установлены диаметрально вдоль образующей и электрически соединены нижними концами посредством металлической ленты шириной 10 мм;

вертикальный токоведущий вибратор 5, выполненный из отрезка металлической трубы типа ДКРНП Л63 ГОСТ 490-90 длиной 2,5 м (0,25 длины волны верхней рабочей частоты 30,0 МГц) и внешним диаметром 20,0 мм ×2,0 мм, на изолированной внешней поверхности которого вдоль осевой длины равномерно расположены электрически разомкнутые на концах прямолинейные проводники 6 - пассивные проводники коротких рабочих волн диапазона рабочих частот;

прямолинейные проводники 6, выполненные из шести отрезков провода типа ПЭВ-2-1,5 ГОСТ 7262-78 длиной 2,5 м.

Кроме перечисленного, заявляемая конструкция антенны содержит устройство контактное, в состав которого входят:

проводящая труба с опорным фланцем в основании 7, выполненные из отрезков металлической трубы типа Амгб ГОСТ 18482-79 с внешним диаметром, соответственно, 50,0 мм ×5,0 мм и 120,0 мм ×20,0 мм, длина проводящей трубы 200 мм;

изолятор 8, выполненный из фторопласта типа 4ГН ГОСТ 10007-80 с внешним диаметром соответственно 50,0 мм ×10,0 мм и 35,0 мм ×60,0 мм; радиочастотный кабель 9, выполненный из отрезка радиочастотного коаксиального кабеля марки РК 75-9-13 длиной 190 мм, установленного во внутренней полости проводящей трубы с опорным фланцем в основании 7 и электрически соединенный верхним концом центрального токоведущего проводника с нижним концом вертикального токоведущего вибратора 5 и верхней кромкой внешнего цилиндрического проводника с внутренней полостью проводящей трубы с опорным фланцем 7;

радиочастотный соединитель 10 типа СР-75-167П ГУ3.640.702СП, установленного в нижней части радиочастотного кабеля 9 и предназначенного для электрического и механического соединения с коаксиальным фидером 11.

Заявляемая конструкция антенны работает следующим образом.

В режиме, например, «излучение» при работе с радиопередающим устройством (РПДУ) в KB диапазоне длинных и коротких рабочих волн 1,5-30,0 МГц электродвижущая сила возбуждения 12 при помощи коаксиального фидера 11 через радиочастотный соединитель 10 и радиочастотный кабель 9 подводится и распространяется вдоль вертикального токоведущего вибратора 5 и далее в зависимости от длины волны диапазона рабочих частот:

- в KB диапазоне длинных рабочих волн от 1,5 МГц до частоты естественного согласования антенны 16 МГц (см. фиг.2,а) электродвижущая сила возбуждения распространяется по высокочастотной линии введенного устройства, при этом изолированный токоведущий проводник 3 пассивно возбуждает электромагнитным полем проводящие цилиндры 2, которые через сильную внешнюю емкостную связь оказывают электродинамическое влияние, распределенной по всей геометрической длине, на изолированный токоведущий проводник 3, электрически соединяющий излучающий вертикальный токоведущий вибратор 5 с излучающим токоведущим штырем 4 введенного устройства (см. фиг.2,б);

- в KB диапазоне коротких волн 16-30 МГц экспериментально установлено, что вертикальный токоведущий вибратор 5 является основным излучающим элементом заявляемой конструкции антенны, а расположенные на изолированной внешней поверхности пассивно возбуждаемые электромагнитным полем прямолинейные проводники 6 образуют высокочастотную линию без потерь коротких рабочих волн и за счет электродинамического влияния на вертикальный токоведущий вибратор 5 уменьшают КСВ и сдвигают полосу естественного согласования антенны в диапазон нижних рабочих частот в пределах 3-4 МГц, при этом улучшая излучающие характеристики.

В непрерывном диапазоне длинных и коротких рабочих волн обратный путь тока к корпусу РПДУ 12 только один: токи, текущие по излучающему вертикальному токоведущему вибратору 5 и излучающему токоведущему штырю 4 введенного устройства - в диапазоне длинных рабочих волн, а в диапазоне коротких рабочих волн - по излучающему вертикальному токоведущему вибратору 5 ответвляется в виде токов смещения на горизонтальный экран через емкость «излучатель - горизонтальный экран» и далее в виде токов проводимости по горизонтальному экрану к электрически соединенной с ним проводящей трубе с опорным фланцем 7, при этом направление тока совпадает с направлением тока в излучателях, что улучшает распределение тока в антенне, к внешнему цилиндрическому проводнику радиочастотного кабеля 9, корпусу радиочастотного соединителя 10, внешнему цилиндрическому проводнику коаксиального фидера 11 и к корпусу РПДУ 12.

Сравнительная оценка частотной зависимости КСВ в KB диапазоне длинных и коротких рабочих волн 1,5-30 МГц, представленной на фиг.2,а и 2,б, показывает, что поставленная цель изобретения достигнута. Экспериментальными исследованиями установлено, что в заявляемой конструкции антенны, например, для диапазона рабочих частот 30-150 МГц с целью оптимального соотношения диаметра горизонтального экрана и высоты вертикального токоведущего вибратора введенное устройство может быть установлено горизонтально относительно вертикального токоведущего вибратора, при этом прямолинейные проводники токоведущего штыря введенного устройства технически целесообразно электрически соединить между собой в геометрической середине.

Изобретение может быть использовано в геометрически-электрически коротких антеннах для ведения радиосвязи и навигации в совмещенных диапазонах рабочих частот от 0,3 до 600 МГц. В конструкцию геометрически-электрически короткой антенны с целью расширения полосы пропускания-согласования в нижнем диапазоне рабочих частот антенны введено изолированное устройство цилиндрической формы, установленное в вершине вертикального токоведущего вибратора, выполненное в виде двухпроводной электрически разомкнутой на концах высокочастотной линии без потерь, которая образована токоведущим штырем с изолированным токоведущим проводником, электрически соединенным последовательно с верхним концом вертикального токоведущего вибратора и проводящей поверхностью пассивного проводника, выполненного в форме цилиндра, при этом токоведущий штырь длиной, равной образующей проводящего цилиндра, и изолированный токоведущий проводник длиной, равной 0,25 длины волны нижней рабочей частоты, расположены на изолированной внешней поверхности проводящих цилиндров, а за счет сильной внешней емкостной связи пассивно возбуждаемые электромагнитным полем проводящие цилиндры оказывают электродинамическое влияние, равномерно распределенное по длине токоведущего штыря и изолированного токоведущего проводника, обеспечивают режим, близкий к режиму бегущей волны в диапазоне нижнего участка рабочих частот, в результате чего в диапазоне нижнего участка рабочих частот в антенне имеются два излучающих элемента: токоведущий штырь и вертикальный токоведущий вибратор. 2 ил.

Антенна, установленная на горизонтальном экране, содержащая вертикальный вибратор, электрически соединенный с центральным токоведущим проводником коаксиального фидера, внешний цилиндрический проводник которого электрически соединен с горизонтальным экраном, и прямолинейные проводящие проводники электрически разомкнутые на концах, расположенные на внешней изолированной поверхности вертикального токоведущего вибратора вдоль осевой длины равномерно, отличающаяся тем, что введено изолированное устройство цилиндрической формы, установленное в вершине вертикального токоведущего вибратора, содержащее изолированный токоведущий проводник длиной 0,25λ, n проводящих цилиндров, установленных коаксиально изолированными поверхностями, и токоведущий штырь, при этом геометрическая длина изолированного токоведущего проводника устройства расположена в виде неразрывной петли на изолированной поверхности каждого проводящего цилиндра устройства вдоль образующей равномерно, а токоведущий штырь выполнен в виде отдельных изолированных прямолинейных проводников электрически соединенных между собой и расположенных на изолированной внешней поверхности последнего из n проводящих цилиндров устройства вдоль образующей равномерно, вертикальный токоведущий вибратор электрически соединен верхним концом через изолированный токоведущий проводник устройства с токоведущим штырем устройства, где λ - длина волны нижней рабочей частоты, n=1, 2, 3, ....