КОНИЧЕСКИЙ НЕСИММЕТРИЧНЫЙ ВИБРАТОР Российский патент 2012 года по МПК H01Q9/00 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антенной технике и, в частности, конический несимметричный вибратор (КНВ) может быть использован в качестве приемной и/или передающей ультракоротковолновой (УКВ) антенны совместно с широкодиапазонными УКВ-радиостанциями.

Известны конические вибраторы, описанные в книге «Антенны УКВ» под ред. Г.З.Айзенберга, Ч.1. М., «Связь», 1977, стр.180-182.

Известные аналоги выполнены в виде металлического конуса над проводящей поверхностью и обращенного к ней своей вершиной. Вершина металлического конуса подключена к центральному проводнику коаксиального фидера, экранная оболочка которого подключена к проводящей поверхности.

Однако указанная антенна имеет относительно большие электрические размеры при заданном рабочем диапазоне волн, т.е. большое соотношение физической высоты конуса Н к наибольшей длине волны λ_max в заданном диапазоне волн.

Известна также слабонаправленная широкополосная антенна по патенту РФ №2207673, опубликованная 27.06.2003, состоящая из полого металлического конуса и расположенного над его вершиной, ортогонально его оси металлического проводника в форме металлического кольца, в плоскости которого расположена металлическая спираль. Внешний конец спирали электрически соединен с металлическим кольцом, а к центру спирали прикреплен центральный проводник коаксиального фидера, установленного в полости металлического конуса. Внешний проводник коаксиального фидера подключен к вершине полого металлического конуса.

Однако данная антенна также имеет относительно большие электрические размеры.

Наиболее близким аналогом (прототипом) по своей технической сущности и числу существенных признаков к заявленной антенне является конический несимметричный вибратор (КНВ), описанный в книге «Антенны УКВ» под ред. Г.З.Айзенберга, Ч.1. М., «Связь», 1977, стр.183-185.

КНВ - прототип состоит из полого металлического конуса (ПМК) высотой Н с углом при вершине α, установленного вертикально над проводящей поверхностью и обращенным к ней вершиной, дополнительного металлического конуса (ДМК), высотой h и с углом при вершине β. Основания ПМК и ДМК конгруэнтны, обращены друг к другу и электрически соединены. Коаксиальный фидер подключен центральным проводником к вершине ПМК, а экранной оболочкой к проводящей поверхности, над которой он установлен.

Однако ближайший аналог имеет недостаток - относительно большие электрические размеры при заданном значении максимальной длины рабочей волны λ_max, при которой достигается требуемый уровень согласования антенны по сопротивлению.

Целью изобретения является разработка конического несимметричного вибратора, обладающего меньшими электрическими размерами, т.е. меньшим соотношением при одновременном обеспечении требуемого качества согласования.

Поставленная цель достигается тем, что в известном КНВ, состоящем из ПМК высотой Н и с углом α при вершине, установленного вертикально над проводящей поверхностью и обращенного к ней вершиной, ДМК высотой h и с углом при вершине β, установленного соосно с ПМК, и коаксиального фидера, центральный проводник которого подключен к вершине ПМК, а внешний проводник - к проводящей поверхности, ДМК установлен внутри ПМК. Вершина ДМК совпадает с плоскостью раскрыва ПМК. Основание ДМК электрически соединено с внутренней поверхностью ПМК.

Высота Н ПМК выбрана из условия Н≥0.3λ_max. Углы α при вершине ПМК и β при вершине ДМК выбраны в интервалах: α=45°-60°; β=45°-60°; соотношение высот h ДМК и Н ПМК выбрано в интервале

Благодаря новой совокупности существенных признаков обеспечивается увеличение пути тока проводимости по коническим поверхностям, что эквивалентно удлинению конического вибратора и, следовательно, увеличению его электрического размера без увеличения физической высоты вибратора. Заявленный КНВ поясняется чертежами, на которых показано:

на фиг.1 - общий вид конического несимметричного вибратора;

на фиг.2 - рисунок, поясняющий принцип работы конического несимметричного вибратора;

на фиг.3 - рисунок, поясняющий эффект увеличения электрической длины несимметричного вибратора;

на фиг.4 - график зависимости коэффициента стоячей волны от ;

на фиг.5 - диаграмма направленности при

Заявленный КНВ, показанный на фиг.1, состоит из ПМК 1 высотой Н и с углом α при вершине, ДМК 2 высотой h и с углом β при вершине. ПМК 1 установлен вертикально над проводящей поверхностью (ПП) 3 и обращен к ней вершиной. Коаксиальный фидер 4 подключен центральным проводником к вершине ПМК (точка «а»), а внешним проводником к ПП 3 (точка «б»). ДМК 2 установлен внутри ПМК 1 и соосно с ним таким образом, что вершина ДМК 2 совмещена с плоскостью раскрыва ПМК 1, а основание ДМК 2 по всему периметру электрически соединено с внутренней поверхностью ПМК 1.

Заявленный КНВ работает следующим образом. При подаче возбуждающей ЭДС по коаксиальному фидеру к точкам «а»-«б» высокочастотный (в.ч.) ток проводимости протекает от точки «а» по внешней поверхности ПМК 1, далее по его внутренней поверхности до электрического соединения основания ДМК 2 с внутренней поверхностью ПМК 1 (см. фиг.2). Далее в.ч. ток протекает по поверхности ДМК 2 до его вершины, после чего переходит в ток смещения и замыкается через ток проводимости ПП 3 на точку «б» подключения внешнего проводника коаксиального фидера 4. При этом путь тока проводимости увеличивается без увеличения электрической высоты ПМК 1, определяющего предельную физическую высоту Н КНВ.

Аналогичный физический процесс реализуется в электрически коротких вибраторах с верхней емкостной нагрузкой, в которой путь тока проводимости увеличивается подключением горизонтальных или наклонных проводников к их вершине, например, в Г-образных, Т-образных, зонтичных и т.п. вибраторах. Увеличение длины пути тока проводимости снижает реактивную составляющую входного сопротивления электрически короткого вибратора, что эквивалентно некоторому увеличению его действующей высоты h_д=h+h_э (см. фиг.3). В заявленном КНВ это же увеличение его электрической высоты реализуется без увеличения его габаритов, как по высоте, так и по ширине. Соотношения физических размеров элементов конструкции заявленного КНВ и их параметров Н, h, α, β, при которых достигается указанный технический результат, были определены экспериментально и составили: Н≥0,3λ_max; ; α=45°-60°; β=45°-60°.

Проверка возможности достижения ожидаемого результата была выполнена путем сравнительных измерений качества согласования (коэффициента стоячей волны - КСВ) и формы диаграммы направленности (Д.Н.) заявленного КНВ и прототипа при следующих условиях.

Для заявленной антенны: λ_max=0,25 м, волновое сопротивление коаксиального фидера ρ_ф=50 Ом, Н=0,093 м, h=0,026 м, α=47°, β=60°.

Для прототипа λ_max=0,25 м, ρ_ф=50 Ом, Н=0,075 м, β=0,018 м, α=47°, β=90°.

Результаты измерений, приведенные на фиг.4 (КСВ) и фиг.5 (ДН), дают основания для следующих выводов.

При равных максимальных физических размерах по высоте у заявленного КНВ Н=0,093 м и у прототипа H+h=0,093 м уровень КСВ≤2 обеспечивается у заявленной антенны, начиная с электрической высоты у прототипа с электрической высоты .

Следовательно, в заявленном КНВ достигается снижение электрических размеров в 1,51 раза. Снижение электрических размеров и возможность формирования неискаженной формы ДН (см. фиг.5) указывает, что благодаря новой совокупности существенных признаков заявленного КНВ при его использовании достигается указанный выше технический результат.

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антенной технике и, в частности, конический несимметричный вибратор (КНВ) может быть использован в качестве приемной и/или передающей ультракоротковолновой (УКВ) антенны совместно с широкодиапазонными УКВ-радиостанциями. Техническим результатом является уменьшение электрических размеров, т.е. уменьшение соотношения при одновременном обеспечении требуемого качества согласования. Конический несимметричный вибратор содержит полый металлический конус (ПМК) высотой Н и с углом α при вершине, установленный вертикально над проводящей поверхностью и обращенный к ней вершиной, дополнительный металлический конус (ДМК) высотой h и с углом при вершине β, установленный соосно с ПМК, коаксиальный фидер, центральный проводник которого подключен к вершине ПМК, а внешний проводник - к проводящей поверхности, ДМК установлен внутри ПМК. Вершина ДМК совпадает с плоскостью раскрыва ПМК. Основание ДМК электрически соединено с внутренней поверхностью ПМК. Оптимальные соотношения размеров элементов конструкции антенны определены в виде математических выражений. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Конический несимметричный вибратор, состоящий из полого металлического конуса высотой Н и с углом при вершине α, установленного над проводящей поверхностью и обращенного к ней вершиной, дополнительного металлического конуса высотой h с углом при вершине β, установленного соосно с полым металлическим конусом, и коаксиального фидера, центральный проводник которого подключен к вершине полого металлического конуса, а внешний проводник к проводящей поверхности, отличающийся тем, что дополнительный металлический конус установлен внутри полого металлического конуса, причем вершина дополнительного металлического конуса совпадает с плоскостью раскрыва полого металлического конуса, а его основание электрически соединено с внутренней поверхностью полого металлического конуса.

2. Конический несимметричный вибратор по п.1, отличающийся тем, что высота H полого металлического конуса выбрана из условия Н≥0,3λ_max, где λ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона волн.

3. Конический несимметричный вибратор по п.1, отличающийся тем, что углы α и β выбраны в интервалах α=45-60°, β=45-60°.

4. Конический несимметричный вибратор по п.1, отличающийся тем, что соотношение высот h и Н выбрано в интервале .