БИКОНИЧЕСКАЯ АНТЕННА С УКОРОЧЕНИЕМ Российский патент 2008 года по МПК H01Q9/28 

Изобретение относится к радиотехнике, а конкретно к антенной технике, и может быть использовано при разработке и проектировании антенно-мачтовых устройств для мобильных и стационарных средств связи.

Известна биконическая антенна, по пат. №2221316, которая достаточно проста по конструкции, состоящая из двух соосных металлических полых конусов, обращенных вершинами друг к другу, с шунтами, установленными перпендикулярно основаниям металлических конусов и соединяющими их кромки.

Однако эта антенна имеет существенный недостаток - ее невозможно установить на мачтовые устройства, как на подвижные, так и на стационарные объекты, когда длина волны λ достигает 10 м, в связи с большими массогабаритными характеристиками и большой парусностью.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является комбинированная антенна по пат. №2247449, Н01Q 21/00, опубл. 27.02 2005 г., принятая за прототип.

Схема антенны-прототипа представлена на фиг 1, где обозначено:

1 - верхний конус; 2 - нижний конус; 3 - изолятор; 8 - электрический вибратор.

Антенна-прототип состоит из двух колебательных систем. В качестве основной колебательной системы взята вертикальная биконическая антенна, построенная по классической схеме, как это описано в «Расчет и конструирование антенно-фидерных устройств. Дорохов А.П. Харьков 1960 г.». Конусы 1, 2 антенны-прототипа представляют собой редкую решетку из тонких металлических стержней четвертьволновой длины, закрепленных на изоляторе 3.

Дополнительная колебательная система представляет собой электрический вибратор 8, ось которого совпадает с осью биконуса, который выполнен в виде дуг, нижние концы соединены с вершиной нижнего конуса 2, а верхние, проходя между стержнями верхнего конуса 1, соединены в узел.

Однако вследствие того, что конусы выполнены из редкой решетки металлических стержней, диаграмма направленности в горизонтальной плоскости будет иметь неравномерность. Устранить эти недостатки можно, например, увеличив количество металлических стержней, которые образуют коническую структуру. Кроме того, затруднено использование такой антенны на частотах, у которых длина волны λ≥10 м, поскольку она обладает большими габаритами и массой. С целью уменьшения массы и габаритов антенны, можно укоротить стержни, т.е. сделать их меньше чем λ/4, но это приведет к ухудшению согласования такой антенны.

Недостатками антенны-прототипа являются большие габаритные размеры и масса, а также неравномерность диаграммы направленности в горизонтальной плоскости.

Для устранения указанных недостатков в биконической антенне с укорочением, содержащей верхний и нижний конусы, выполненные из стержней, при этом оба конуса обращены вершинами друг к другу и закреплены на изоляторе, согласно изобретению каждый из М стержней обоих конусов выполнен из N аналогичных отрезков высокочастотного фидера, каждый из которых образован соединением центральной жилы с оплеткой на конце своего отрезка, причем отрезки соединены между собой последовательно, при этом свободные концы центральных жил каждого из М стержней присоединены к вершинам соответствующих конусов.

На фиг.2 представлена предлагаемая антенна, где обозначено: 1 - М стержней верхнего конуса; 2 - М стержней нижнего конуса; 3 - изолятор; 4 - высокочастотный фидер; 5 - диэлектрическая трубка, 6 - питающий фидер, 7 - согласующие устройство (СУ). На фиг.3 - строение одного из М стержней, где обозначено: 1.1, 1.2, 1.3, 1.N - отрезки стержня; 4.1 - центральная жила высокочастотного фидера 4; 4.2 - оплетка высокочастотного фидера 4.

Предлагаемая биконическая антенна является широкополосной, содержит верхний и нижний конусы, выполненные из М идентичных стержней 1 и 2 соответственно. При этом все стержни 1 верхнего конуса соединены в узел, образующий вершину конуса, стержни 2 нижнего конуса также соединены в свой узел, при этом оба конуса обращены вершинами друг к другу и закреплены на изоляторе 3. Оба конуса представляют собой структуру, выполненную из М стержней, которые изготовлены из отрезков высокочастотного фидера 4. Для улучшения механической прочности этот фидер размещен в диэлектрической трубке 5.

Возбуждение антенны осуществляется следующим образом. Внешняя оплетка питающего фидера 6 подсоединяется к вершине нижнего конуса, а его центральная жила, проходя через нижний конус, подсоединяется к вершине верхнего конуса. Причем стержни обоих конусов выполнены из материала, дающего электрическое укорочение. В качестве такого материала можно использовать, например, кабель типа РК75-4-12, который из-за конструктивной особенности, описанной в справочнике ГОСТов «Кабели радиочастотные ГОСТ 11326,0-79 - ГОСТ 11326,85-79 Государственные стандарты СССР. Москва - 1979 г.», дает электрическое укорочение в 1,5 раза, что уменьшает габариты антенны также в 1,5 раза.

Стержни 1 верхнего конуса используются в качестве излучателя, а стержни 2 нижнего конуса - в качестве противовеса.

Отрезки высокочастотного фидера 4 каждого из М стержней 1 и 2 верхнего и нижнего конусов соединены между собой по схеме, изображающей строение стержня, представленной на фиг.3. Центральная жила 4.1 высокочастотного фидера 4 соединена с оплеткой 4.2 на конце отрезка, центральная жила следующего отрезка соединена с концом предыдущего отрезка и т.д. Свободные концы центральных жил каждого из стержней 1 и 2 присоединены к вершинам соответствующих конусов. При этом конец каждого отрезка образован соединением центральной жилы с оплеткой.

Как видно из фиг.3, каждый из N отрезков высокочастотного фидера 4 представляет собой короткозамкнутую длинную линию. Для того чтобы в диапазоне рабочих частот не было участков, где эти отрезки имели бы длину волны, кратную нечетному количеству λ/4, что, как известно, дает бесконечное входное сопротивление, длины каждого из отрезков высокочастотного фидера 4, образующих как излучатель, так и противовес, выбраны заведомо короче длины волны на самой высокой рабочей частоте.

В антенне может быть предусмотрена грозозащита. На изолятор наматывается катушка индуктивности, которая электрически соединяет вершины конусов. Индуктивность катушки выбирается в зависимости от рабочего диапазона частот антенны.

Для согласования антенны используется СУ 7, например согласующий трансформатор, который может быть выполнен в виде отрезка высокочастотного фидера длинной λ_ср/4 (λ_ср - длина волны на средней частоте рабочего диапазона).

Работа предлагаемой антенны заключается в следующем.

При подаче через питающий фидер 6 высокочастотного сигнала происходит возбуждение антенны - в верхнем конусе биконической антенны появляются токи проводимости, которые возбуждают электромагнитное поле (происходит излучение волн в пространстве), силовые магнитные линии которого замыкаются на нижний конус антенны, возбуждая в нем те же токи проводимости, с той же направленностью, что и в верхнем конусе.

Таким образом, биконическая антенна представляет собой объемный проводник, у которого в симметричных (относительно середины) точках токи равны по величине и имеют одинаковое направление в пространстве.

По сравнению с прототипом предлагаемая антенна имеет меньшие габаритные размеры и массу, а также более равномерную диаграмму направленности в горизонтальной плоскости.

Изобретение относится к радиотехнике, а конкретно к антенной технике, и может быть использовано при разработке и проектировании антенно-мачтовых устройств для мобильных и стационарных средств связи. Технический результат - уменьшение массы и габаритных размеров антенны при выравнивании диаграммы направленности в горизонтальной плоскости. Это достигается тем, что в антенне каждый из М стержень обоих конусов выполнен из N аналогичных отрезков высокочастотного фидера, каждый из которых образован соединением центральной жилы с оплеткой на конце своего отрезка, причем отрезки соединены между собой последовательно, при этом свободные концы центральных жил каждого из М стержней присоединены к вершинам соответствующих конусов. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Биконическая антенна с укорочением, содержащая верхний и нижний конусы, выполненные из стержней, при этом оба конуса обращены вершинами друг к другу и закреплены на изоляторе, отличающаяся тем, что каждый из М стержней обоих конусов укорочен за счет выполнения из высокочастотного фидера, обладающего свойством электрического укорочения, и выполнен из N аналогичных отрезков высокочастотного фидера, каждый из которых образован соединением центральной жилы с оплеткой на конце своего отрезка, причем отрезки соединены между собой последовательно, при этом свободные концы центральных жил каждого из стержней присоединены к вершинам соответствующих конусов, закрепленных на изоляторе.2. Биконическая антенна по п.1, отличающаяся тем, что отрезки каждого стержня помещены в диэлектрическую трубку.3. Биконическая антенна по п.1, отличающаяся тем, что на изоляторе намотана катушка индуктивности, электрически соединяющая вершины конусов антенны.4. Биконическая антенна по п.1, отличающаяся тем, что в качестве высокочастотного фидера использован кабель типа РК75-4-12.