БИКОНИЧЕСКАЯ АНТЕННА Российский патент 2014 года по МПК H01Q13/04 

Изобретение относится к антенным устройствам, а именно к классу сверхширокополосных приемопередающих биконических (дипольных) антенн, предназначенных для использования в радиотехнических системах различного назначения, в частности для измерения электрической составляющей напряженности электромагнитного поля при решении задач электромагнитной совместимости технических средств, а также для определения и контроля предельно допустимых уровней электромагнитных полей.

Известны биконические антенны по патентам на изобретения RU №2221316, 2168248, содержащие два соосных металлических конуса, обращенных друг к другу вершинами, подключенными к входным каналам согласующе-симметрирующего устройства.

В качестве прототипа заявленного технического решения выбрана конструкция антенны по патенту RU №2221316.

Недостатком вышеуказанных антенн является ограничение верхней границы частотного диапазона из-за неравномерности диаграммы направленности (появление боковых лепестков).

Технической задачей предлагаемого решения является создание приемопередающей широкополосной (в такой антенне должно выполняться условие для относительного уровня боковых лепестков диаграммы направленности) биконической антенны с расширением в область высоких частот, низким уровнем боковых лепестков диаграммы направленности (выравниванием диаграммы), простой конструкцией с высокой механической прочностью и технологической воспроизводимостью.

Сущность технического решения заключается в том, что в биконической антенне, содержащей два идентичных вибратора, продольная ось которых совмещена с продольной осью антенны, при этом каждый вибратор выполнен в виде металлического конуса, обращенные в антенне друг к другу вершинами, к которым подключено согласующе-симметрирующее устройство, на боковых поверхностях конусов по окружностям выполнены концентрично расположенные канавки (углубления) зигзагообразной формы, образуя ребристую, гофрированную поверхность, параметры вибраторов определяются из соотношений

$$x_1\le \frac{{\lambda }_{\min }}{8}$$ ; $$$$ $$D{1}_1=\frac{x_1}{a_1}$$ ; $$D{2}_0=\frac{x_1}{a_2}$$ ; $$x_j=x_{j-1}\cdot \tau$$ ; $$D{1}_j=\frac{x_j}{a_1}$$ ; $$D{2}_{j-1}=\frac{x_j}{a_2}$$ ; $$\left(j=\mathrm{2,3,}\dots ,N\right)$$ ,

где λ_min - минимальная длина волны в рабочем диапазоне частот антенны; a₁, а₂ задаются исходя из требуемого входного сопротивления; τ≥1 - параметр, определяемый заданной неравномерностью частотной зависимости входного сопротивления антенны; N - количество канавок на конической (боковой) поверхности вибратора; х - расстояние до краев канавки от вершины конуса; D1_j и D2_j определяют глубину соответствующих канавок.

В вариантах выполнения антенны канавки в продольном осевом сечении имеют прямоугольную, синусоидальную, треугольную или трапецеидальную форму в зависимости от технологического процесса изготовления антенны.

На рисунках представлено: фиг.1 - изображение общего вида антенны; фиг.2 - продольное сечение конусного вибратора.

Биконическая антенна представляет собой неоднородную линию, содержащую (фиг.1) два идентичных вибратора 1, каждый из которых выполнен в виде металлического конуса из хорошо проводящего материала, например алюминия. Продольная ось вибраторов 1 совмещена с продольной осью антенны, при этом вибраторы обращены в антенне друг к другу вершинами, к которым подключено согласующе-симметрирующее устройство 2, являющееся входом-выходом антенны. На боковых поверхностях конусов вибраторов 1 (фиг.2) по окружностям выполнены концентрично расположенные канавки 3 зигзагообразной (прямоугольной) формы, образуя ребристую, гофрированную поверхность. Параметры канавок определяются из соотношений:

$$x_1\le \frac{{\lambda }_{\min }}{8}$$ ; $$$$ $$D{1}_1=\frac{x_1}{a_1}$$ ; $$D{2}_0=\frac{x_1}{a_2}$$ ; $$x_j=x_{j-1}\cdot \tau$$ ; $$D{1}_j=\frac{x_j}{a_1}$$ ; $$D{2}_{j-1}=\frac{x_j}{a_2}$$ ; $$\left(j=\mathrm{2,3,}\dots ,N\right)$$ ,

где λ_min - минимальная длина волны в рабочем диапазоне частот антенны; a₁, a₂ задаются исходя из требуемого входного сопротивления; τ≥1 - параметр, определяемый заданной неравномерностью частотной зависимости входного сопротивления антенны; N - количество канавок на конической (боковой) поверхности вибратора; х - расстояние до краев канавки от вершины конуса; D1_j и D2_j определяют глубину соответствующих канавок.

При работе антенны в режиме приема падающая электромагнитная волна, распространяющаяся вдоль металлической гофрированной структуры 3 в радиальном направлении, возбуждает вибраторы 1, сигнал с которых поступает на входные цепи согласующе-симметрирующего устройства 2. При этом в конусах вибраторов возбуждаются электрические токи, которые формируют круговую диаграмму направленности в Н-плоскости и однолепестковую в Е-плоскости.

Амплитудно-фазовое распределение в такой антенне зависит от количества канавок, формы, ширины и амплитуды (глубины) их изгиба. Расчет приема-излучения таких антенн довольно сложен, поэтому преимущественно используются экспериментальные методы.

Результаты макетирования и экспериментальные исследования на стенде для измерения коэффициента стоячей волны для конструкции выполнения антенны с прямоугольными изгибами в виде меандровой линии (фиг.2), у которой в каждом вибраторе шесть (N=6) канавок, в диапазоне частот 1-2,5 ГГц обеспечивает выигрыш в коэффициенте усиления на 1,6-2,0 дБ и увеличения верхней границы частотного диапазона на 50% (по сравнению с прототипом).

Достигаемый эффект заключается в том, что антенна работает аналогично антенне с вибраторами увеличенной длины, тем самым повышая усиление (чувствительность) антенны в высокочастотном диапазоне, сохраняя при этом широкополосность по входному сопротивлению за счет конической формы вибратора.

Такая антенна для диапазона частот от 300 МГц до 3 ГГц весит не более 2 кг, и крепление ее в нужном положении не вызывает трудностей. Антенну не надо защищать от проникновения влаги в фидер.

Все детали компактной и небольшой по весу антенны согласно настоящему решению имеют простую форму и сделаны из однородного и однотипного токопроводящего материала. Изготовление такой антенны сводится исключительно к токарным работам. Это позволяет реализовать изготовление их в массовом производстве легко и дешево, используя отработанную технологию.

Изобретение относится к антенной технике и предназначено для измерения электрической составляющей напряженности электромагнитного поля. Технический результат - повышение чувствительности в высокочастотном диапазоне. Для этого антенна содержит два идентичных вибратора, каждый из которых выполнен в виде металлического конуса из хорошо проводящего материала. Продольная ось вибраторов совмещена с продольной осью антенны, при этом вибраторы обращены в антенне друг к другу вершинами, к которым подключено согласующе-симметрирующее устройство, являющееся входом-выходом антенны. На боковых поверхностях конусов вибраторов по окружностям выполнены концентрично расположенные канавки зигзагообразной формы, образуя гофрированную поверхность. В вариантах выполнения антенны канавки в продольном осевом сечении имеют прямоугольную, синусоидальную, треугольную или трапецеидальную форму. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Биконическая антенна, содержащая два идентичных вибратора, продольная ось которых совмещена с продольной осью антенны, при этом каждый вибратор выполнен из металлического конуса, обращенные в антенне друг к другу вершинами, к которым подключено согласующе-симметрирующее устройство, отличающаяся тем, что на боковых поверхностях конусов по окружностям выполнены концентрично расположенные канавки зигзагообразной формы, образуя ребристую, гофрированную поверхность, параметры канавок определяются из соотношений: ; ; ; ; ; ; , где λ_min - минимальная длина волны в рабочем диапазоне частот антенны; a₁, a₂ задаются исходя из требуемого входного сопротивления; τ≥1 - параметр, определяемый заданной неравномерностью частотной зависимости входного сопротивления антенны; N - количество канавок на конической (боковой) поверхности вибратора; х - расстояние до краев канавки от вершины конуса; D1 и D2 - глубина канавок.

2. Биконическая антенна по п.1, отличающаяся тем, что выемки выполнены в форме прямоугольного изгиба.

3. Биконическая антенна по п.1, отличающаяся тем, что выемки выполнены в форме синусоидального изгиба.

4. Биконическая антенна по п.1, отличающаяся тем, что выемки выполнены в форме треугольного изгиба.

5. Биконическая антенна по п.1, отличающаяся тем, что выемки выполнены в форме трапецеидального изгиба.