БИКОНИЧЕСКАЯ АНТЕННА Российский патент 2013 года по МПК H01Q11/10 

Настоящее изобретение относится к антенной технике, а более конкретно - к широкодиапазонным малогабаритным антеннам для радиосвязи и радиолокации.

Известно, что широкополосные и широкодиапазонные антенны необходимы для ряда направлений антенной техники, например для радиосвязи с использованием широкополосных сигналов (ШПС, Л.1), для радиолокации с использованием волн Хармута (Л.2, Л.3) и т.п. В том случае, когда антенная система должна быть компактной, с успехом можно использовать конические (Л.4) или биконические (Л.5) вибраторные антенны.

Так, конический вибратор может работать в диапазоне частот с перекрытием по частоте ξ=f_в/f_н=2÷3, где f_в - верхняя, a f_н - нижняя частота рабочего диапазона, а конические вибраторы со шлейфами (см. Фиг.1) вообще работают в полубесконечной полосе частот при длине плеч

где l - длина плеча, λ_н - длина волны нижней частоты рабочего диапазона.

Однако в ряде случаев, например при использовании конических вибраторов, для создания турникетной (Фиг.2) или трехвекторной (Фиг.3) антенной системы биконических вибраторов использование шлейфов затруднено.

Наиболее близким техническим решением является конический вибратор, описанный в Л.5.

Технический результат состоит в увеличении диапазона рабочих частот без использования шлейфов.

Для этого биконическая вибраторная антенна содержит пару соосных конусов, обращенных вершинами друг к другу, и питающую линию, подключенную к вершинам конусов, отличающуюся тем, что конусы образованы 2N металлическими полосками, являющимися плечами вибраторов и расположенными попарно друг против друга на боковых конических поверхностях, ограниченных основанием в виде круга. Внутренний объем этих конусов разделен круговыми металлическими пластинками, параллельными основанию конуса, на ряд полостей, заполненных диэлектриком с заданным значением относительной диэлектрической проницаемости ε_r, и образующих последовательную цепочку полупрозрачных резонаторов, резонансные частоты которых образуют логопериодическую последовательность или последовательность, близкую к логопериодической.

Кроме того, может быть дополнительно введена вторая пара соосных конусов, обращенных вершинами друг к другу и расположенных по отношению к первой паре соосных конусов таким образом, что оси каждой пары конусов перпендикулярны друг другу, а вершины конусов обращены друг к другу в центре пересечения осей, причем каждая пара плеч вибраторов отличается от другой пары масштабными коэффициентами.

Кроме того, может быть дополнительно введена вторая и третья пары соосных конусов, обращенных вершинами друг к другу и расположенных к первой паре соосных конусов таким образом, что оси каждой пары конусов пересекаются в одной точке, образуя между осями угол 90°, а вершины конусов обращены друг к другу в центре пересечения осей, причем каждая пара плеч вибраторов отличается от другой пары масштабными коэффициентами.

На Фиг.1 показан несимметричный конический вибратор со шлейфами, используемый в известном уровне техники (Л.4, 6).

На Фиг.2 показана турникетная антенная система конических вибраторов, охарактеризованная в п.2 формулы.

На Фиг.3 показана трехвекторная антенная система конических вибраторов, охарактеризованная в п.3 формулы.

На Фиг.4 показана заявленная биконическая вибраторная антенна.

На Фиг.5 показана зависимость коэффициента стоячей волны биконической вибраторной антенны от частоты.

На Фиг.6 показана эквивалентная схема длинной линии с плавающей точкой отсечки тока.

На Фиг.7 показана эквивалентная схема длинной линии с плавающей точкой отсечки напряжения.

Предлагается использовать многорезонансную коническую антенну, способную работать в широком диапазоне (в идеализированном случае - полубесконечном) частот без использования шлейфов. Кроме того, предлагаемая антенная система обладает рядом других полезных свойств, которые будут описаны ниже.

Эскиз предлагаемой биконической антенной системы приведен на Фиг.4.

Плечи вибратора образованы металлическими полосками 1, расположенными по конической поверхности. Внутренний объем этих конусов разделен пластинками 2 на ряд полостей 3 (3₀, 3₁, 3₂, 3₃, …), заполненных диэлектриком с заданным значением относительной диэлектрической проницаемости ε_r. Расстояния от вершин конусов до пластинок L₀, L₁, L₂, … изменяются по логопериодическому закону

L_n=L₀τⁿ (n=0, 1, 2, 3 …),

где τ - геометрический параметр системы (τ≤1, см. Л 6).

Следовательно, резонансная частота ω_n резонаторов R₀, R₁, R₂, R₃, …, R_n, …, образованных пластинками и полосками, также измеряется по логопериодическому закону

ω_n=ω₀τⁿ.

Величина ω₀ может регулироваться величиной ε_r диэлектрического наполнителя резонаторов.

Резонансная частота полупрозрачных резонаторов может быть в первом приближении определена по формуле плоскопараллельного конденсатора и вычислена точно электродинамическим расчетом. При приближенном расчете можно считать, что резонансная частота определяется соотношениями

где S=(S₁+S₂)/2 - усредненное значение площади верхней S₁ и S₂ нижней пластины полупрозрачного резонатора;

d - расстояние между пластинами;

ε_r - относительная диэлектрическая проницаемость;

ε₀=(1/36π)*10^-9 Ф/м - диэлектрическая проницаемость вакуума;

L - эквивалентная индуктивность резонатора.

Совокупность резонаторов образует длинную линию с плавающей точкой отсечки тока, эквивалентная схема которой приведена на Фиг.6.

На этой схеме L_n и С_n - соответственно эквивалентные емкость и индуктивность резонаторов системы, R_nΣ - суммарное излучение и сопротивление потерь n-ного резонатора.

Таким образом, при N→∞ (N - число резонаторов в плечах, любое целое положительное число) входное сопротивление антенны становится постоянным в полубесконечном диапазоне частот. На Фиг.5 приведена зависимость коэффициента стоячей волны (КСВ) рассматриваемой антенны по входу. При снижении величины τ возрастает амплитуда колебаний КСВ по входу антенны, которая остается умеренной, если добротность резонаторов Q_n остается меньше значения

Аналогичными свойствами обладает длинная линия с плавающей точкой отсечки напряжения, эквивалентная схема которой приведена на Фиг.7. Реализовать схемы Фиг.6 и Фиг.7 в виде излучающих систем (антенн), работающих в полубесконечной полосе частот, несложно, если резонаторы каждого типа антенны не обладают заметной взаимосвязью.

Точный электродинамический расчет показывает, что для антенны, приведенной на Фиг.4, это условие соблюдается. Более того, заметная нежелательная взаимосвязь между резонаторами отсутствует и в случае использования многорезонансной конической антенной системы, выполненной по схеме турникетной антенны.

В указанных антенных системах можно существенно снизить КСВ антенны (или уменьшить достаточное число резонаторов), если использовать следующие свойства логопериодических антенн, разновидностью которых являются предлагаемые здесь многорезонансные антенны. Свойства логопериодических антенн при изменении частоты f или масштаба К меняются в логопериодической зависимости (Л.6). Поэтому значения ее входного комплексного сопротивления будут иметь одинаковые значения при изменении частоты f или масштабного коэффициента К в τⁿ раз (n=0; 1; 2; 3 …) в пределах рабочей полосы частот. При изменении масштаба плеча в τ^1/2 раза уничтожатся все нечетные гармонические составляющие входного сопротивления как функции частоты. Поэтому в многоплечей антенной системе рассматриваемого типа для уменьшения величины КСВ каждое плечо целесообразно выполнять с изменением масштабного коэффициента К_n по отношению к какому-либо опорному плечу в пределах τ≤К_n≤1, подбираемым таким образом, чтобы суммарный КСВ антенной системы был минимальным.

Предлагаемые антенные системы обладают еще одним характерным свойством. При (где Q - добротность полых резонаторов) все вибраторы предложенных антенных систем (турникетной или трехвекторной) на любой частоте работают совместно, но при можно добиться поочередной работы плеч антенны, если возбуждать антенну сигналом со сканирующей частотой или короткоимпульсным сигналом.

В этом случае диаграмма направленности антенной системы и ее вектор поляризации будет периодически изменять ориентацию, что может при соответствующей обработке сигнала повысить точность радиолокационной карты местности.

В рассмотренной антенной системе при необходимости длина ее плеч может быть выполнена существенно ниже величины в четверть длины волны нижней частоты рабочего диапазона частот.

Литература

1. Т.П.Косичкина, Т.В.Сидорова, В.С.Сперанский «Сверхширокополосные системы коммуникаций», М.: МТУСИ, 2008.

2. Л.Ю.Астанин «Очерк истории использования сверхширокополосных радиолокационных сигналов: их описание и обработка», журнал «Радиотехника» №3/2009, М.: Радиотехника.

3. X.Ф.Хармут «Несинусоидальные волны в радиолокации и радиосвязи», М.: Радио и связь, 1985.

4. Г.З.Айзенберг, С.П.Белоусов, Э.М.Журбенко, А.Г.Курашова «Коротковолновые антенны», М.: Радио и связь, 1985.

5. В.Н.Митрохин и др., патент на изобретение RU 2221316 С1.

6. Сб. под ред. Л.С.Бененсона «Сверхширокополосные антенны», М.: МИР, 1964.

7. X.Мейнкс, Ф.Гундлах. Справочник по радиотехнике, ч.1, М.-Л.: Госэнергоиздат, 1961, стр.48.

Изобретение относится к антенной технике, а более конкретно к широкодиапазонным малогабаритным антеннам для радиосвязи и радиолокации. Технический результат состоит в увеличении диапазона рабочих частот. Биконическая вибраторная антенна содержит пару соосных полых конусов, обращенных вершинами друг к другу, и питающую линию, подключенную к вершинам конусов. Конусы образованы 2N металлическими полосками, являющимися плечами вибраторов и расположенными попарно друг против друга на боковых конических поверхностях, ограниченных основанием в виде круга, внутренний объем этих конусов разделен круговыми металлическими пластинками, параллельными основанию конуса, на ряд полостей, заполненных диэлектриком с заданным значением относительной диэлектрической проницаемости ε_r, и образующих последовательную цепочку полупрозрачных полых резонаторов, резонансные частоты которых образуют логопериодическую последовательность или последовательность, близкую к логопериодической. В этих случаях используется многорезонансная коническая антенна, способная работать в широком диапазоне частот без использования шлейфов. В указанных антенных системах можно существенно снизить КСВ антенны (или уменьшить достаточное число резонаторов). 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Биконическая вибраторная антенна, содержащая пару соосных полых конусов, обращенных вершинами друг к другу, и питающую линию, подключенную к вершинам конусов, отличающаяся тем, что конусы образованы 2N металлическими полосками, являющимися плечами вибраторов и расположенными попарно напротив друг друга на боковых воображаемых конических поверхностях, ограниченных основанием в виде круга, причем внутренний объем этих конусов разделен круговыми металлическими пластинками, параллельными основанию конуса, на ряд полостей, заполненных диэлектриком с заданным значением относительной диэлектрической проницаемости ε_r, и образующих последовательную цепочку полупрозрачных полых резонаторов, резонансные частоты которых образуют логопериодическую последовательность или последовательность, близкую к логопериодической.

2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно введена вторая пара соосных полых конусов, обращенных вершинами друг к другу и расположенных по отношению к первой паре соосных полых конусов таким образом, что оси каждой пары конусов перпендикулярны друг другу, а вершины конусов обращены друг к другу в центре пересечения осей, причем каждая пара плеч вибраторов отличается от другой пары масштабными коэффициентами.

3. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно введена вторая и третья пары соосных полых конусов, обращенных вершинами друг к другу и расположенных к первой паре соосных полых конусов таким образом, что оси каждой пары конусов пересекаются в одной точке, образуя между осями угол 90°, а вершины конусов обращены друг к другу в центре пересечения осей, причем каждая пара плеч вибраторов отличается от другой пары масштабными коэффициентами.