ДИАПАЗОННЫЙ УЛЬТРАКОРОТКОВОЛНОВЫЙ ВИБРАТОР Российский патент 2015 года по МПК H01Q9/00 

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

Известна слабонаправленная диапазонная антенна по патенту РФ №2207673, опубл. 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 металлического конуса.

Недостатком данного аналога являются его относительно большие электрические размеры, что ограничивает возможность его использования, например, на летательных аппаратах.

Известен также конический несимметричный вибратор, описанный в книге «Антенны УКВ», под ред. Г.З. Айзенберга. 4.1, - М.: «Связь», 1977, с.183-185. Вибратор состоит из полого металлического конуса (ПМК) высотой Н_пмк с углом при вершине α, установленного вертикально над проводящей поверхностью и обращенного 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.

Недостатком данного аналога также являются его относительно большие электрические размеры.

Наиболее близким аналогом (прототипом) по своей технической сущности к заявленному УКВ вибратору является конический несимметричный вибратор по патенту РФ №2448395, опубл. 20.04.2012 г.

Ближайший аналог состоит из ПМК высотой Н_пмк с углом при вершине α, установленного вертикально над проводящей поверхностью и обращенного к ней вершиной, ДМК высотой Н_дмк и с углом при вершине β, установленного соосно с ПМК, коаксиального фидера, центральный проводник которого подключен к вершине ПМК, а внешний проводник к проводящей поверхности. При этом ДМК установлен внутри ПМК. Причем вершина ДМК совпадает с плоскостью разрыва ПМК, а его основание электрически соединено с внутренней поверхностью ПМК.

При таком исполнении прототип в сравнении с рассмотренными аналогами имеет меньшие электрические размеры.

Недостатком ближайшего аналога остаются все же его относительно большие электрические размеры, определяемые отношением его физической высоты Н_пмк к длине наибольшей рабочей волны λ_max.

Целью изобретения является разработка диапазонного УКВ вибратора, обладающего меньшими электрическими размерами, т.е меньшим соотношением Н_пмк/λ_max при одновременном обеспечении требуемого качества согласования.

Поставленная цель достигается тем, что в известном диапазонном УКВ вибраторе, содержащем ПМК высотой Н_пмк с углом при вершине α, установленный вертикально над проводящей поверхностью и обращенный к ней вершиной, ДМК высотой Н_дмк и с углом при вершине β, установленный в полости ПМК соосно с ним, причем вершина ДМК совпадает с плоскостью раскрыва ПМК, а основание ДМК электрически соединено с внутренней поверхностью ПМК, и коаксиальный фидер, центральный проводник которого подключен к вершине ПМК, а его экранная оболочка подключена к проводящей поверхности, дополнительно в полость ПМК установлен полый усеченный металлический конус (ПУМК), с углом при вершине γ. ПУМК установлен в полости ПМК соосно с ним и с ДМК. При этом ДМК размещен в полости ПУМК. Высота Н_пмк ПУМК равна высоте Н_дмк. Плоскость раскрыва меньшего основания ПУМК совмещена с плоскостью раскрыва ПМК, а большее основание ПУМК конгруэнтно основанию ДМК, совмещено и электрически соединено с ним. Высота Н_пмк выбрана из условия Н_пмк≥0,2λ_max. Углы α=45°-55°; β=45°-55°; γ=20°-30°. Высоты Н_дмк и Н_пумк выбраны из условия Н_дмк=Н_пумк=(0,4-0,6)Н_пмк.

Новая совокупность существенных признаков обеспечивает формирование вибратора с учетом принципа самодополнительности и увеличения пути протекания тока проводимости, что эквивалентно использованию верхней емкостной нагрузки, «встроенной» в габариты ПМК без увеличения его физических размеров, т.е. снижение электрических размеров вибратора.

Заявленный диапазонный УКВ вибратор поясняется чертежами, на которых показано:

на фиг.1 - общий вид вибратора;

на фиг.2 - рисунок, поясняющий работу вибратора;

на фиг.3 - результаты измерения качества согласования (КБВ);

на фиг.4 - результаты измерения ДН.

Заявленный диапазонный УКВ вибратор, показанный на фиг.1, состоит из ПМК 1 высотой Н_пмк, с углом при вершине α, ДМК 2 высотой Н_дмк и с углом при вершине β и ПУМК 3 высотой Н_дмк=Н_пумк и с углом при вершине γ. ПМК 1 установлен вертикально над проводящей поверхностью 4, и обращен к ней вершине. Коаксиальный фидер 5 центральным проводником подключен (точка «а») к вершине ПМК 1, а экранной оболочкой подключен (точка «б») к проводящей поверхности 4. В случае установки вибратора на законцовке элемента конструкции летательного аппарата, например самолета, ракеты и т.п. Он может быть закрыт радиопрозрачным обтекателем 6. ДМК 2 и ПУМК 3 размещены в полости ПМК 1 соосно с ним. В свою очередь ДМК 2 размещен в полости ПУМК 3. Плоскости раскрывов меньшего основания ПУМК 3, раскрыва ПМК 1 и вершина ДМК 2 совмещены. Большее основание ПУМК 3 конгруэнтно основанию ДМК 2. Оба основания совмещены друг с другом и электрически подключены к внутренней поверхности ПМК 1.

Заявленный диапазонный вибратор работает следующим образом.

При подаче возбуждающей ЭДС по коаксиальному фидеру 5 (к точкам «а»-«б») высокочастотный (в.ч.) ток проводимости I_пр протекает (см. фиг.2) от точки «а» по внешней поверхности ПМК 1, далее по его внутренней поверхности, внешней поверхности ПУМК 3, его внутренней поверхности, внешней поверхности ДМК 2, затем переходит в ток смещения I_см и замыкается через ток проводимости по проводящей поверхности 4 к точкам «б» коаксиального фидера 5. Траектория в.ч. тока показана на фиг.2 стрелками. Путь тока проводимости увеличивается за счет принятой конструкции, что эквивалентно «удлинению» вибратора по аналогии с использованием верхней емкостной нагрузки у обычных штыревых антенн. В данном случае емкостная нагрузка «упакована» в пределах габаритов ПМК 1.

Соотношения физических размеров элементов конструкции заявленного вибратора и их параметров Н_пмк, Н_дмк, Н_пумк, α, β, γ, при которых достигается указанный технический результат, были определены экспериментально и составили: Н_пмк≥0,2λ_max; Н_дмк=(0,4-0,6)Н_пмк; Н_пумк=(0,4-0,6)Н_пмк; α=45°-55°; β=45°-55°; γ=20°-30°.

Оптимальными значениями указанных параметров для достижения минимальных электрических размеров вибратора являются их средние значения в приведенных интервалах.

Проверка возможности достижения ожидаемого результата была выполнена путем сравнительных измерений качества согласования (коэффициента бегущей волны - КБВ) и формы диаграммы направленности (ДН) заявленного вибратора и прототипа при следующих условиях.

Для заявленного вибратора:

λ_max=2,0 м; волновое сопротивление коаксиального фидера ρ_ф=50 Ом; Н_пмк=0,4 м; Н_дмк=Н_пумк=0,2 м; α=52°; β=52°; γ=50°.

Для прототипа:

λ_max=2,0 м; волновое сопротивление коаксиального фидера ρ_ф=50 Ом; Н_пмк=0,4 м; α=47°; β=60°.

Результаты измерений, приведенные на фиг.3 (КБВ) и фиг.4 (ДН), дают основание для следующих выводов.

При равных физических размерах по высоте уровень КБВ≥0,4 обеспечивается у заявленной антенны, начиная с электрического размера Н_пмк/λ_max=0,24, у прототипа с электрического размера Н_пмк/λ_max=0,24, следовательно, в заявленном вибраторе достигается снижение электрических размеров более чем на 8%, что указывает на возможность достижения технического результата. Приведенные на фиг.4 результаты измерения ДН также указывают на возможность формирования неискаженной формы ДН.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве приемной и/или передающей УКВ антенны совместно с широкодиапазонными УКВ радиостанциями. Технический результат - возможность формирования неискаженной формы диаграммы направленности (ДН) и уменьшение электрических размеров вибратора. Диапазонный УКВ вибратор состоит из полого металлического конуса (ПМК) 1 высотой Н_пмк и с углом при вершине α, дополнительного металлического конуса (ДМК) 2 высотой Н_дмк и с углом при вершине β и полого усеченного металлического конуса (ПУМК) 3 высотой Н_пумк=Н_дмк с углом при вершине γ. ПМК 1 установлен вертикально над проводящей поверхностью 4 и обращен к ней вершиной. ДМК 2 и ПУМК 3 размещены в полости ПМК 1 соосно с ним. ДМК 2 размещен в полости ПУМК 3. Плоскости раскрывов меньшего основания ПУМК 3, раскрыва ПМК 1 и вершина ДМК 2 совмещены. Большее основание ПУМК 3 конгруэнтно основанию ДМК 2. Оба основания совмещены друг с другом и электрически подключены к внутренней поверхности ПМК 1. Коаксиальный фидер 5 центральным проводником подключен к вершине ПМК 1, а экранной оболочкой - к проводящей поверхности 4. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Диапазонный ультракоротковолновый вибратор, содержащий полый металлический конус (ПМК) высотой Н_пмк с углом при вершине α, установленный вертикально над проводящей поверхностью и обращенный к ней вершиной, дополнительного металлического конуса (ДМК) высотой Н_дмк и с углом при вершине β, установленного в полости ПМК соосно с ним, причем вершина ДМК совпадает с плоскостью раскрыва ПМК, а основание ДМК электрически соединено с внутренней поверхностью ПМК, и коаксиального фидера, центральный проводник которого подключен к вершине ПМК, а его экранная оболочка подключена к проводящей поверхности, отличающийся тем, что дополнительно в полость ПМК соосно с ним и с ДМК установлен полый усеченный металлический конус (ПУМК) высотой, равной высоте ДМК, и с углом при вершине γ, причем плоскость меньшего основания ПУМК совмещена с плоскостью раскрыва ПМК, а большее основание ПУМК конгруэнтно основанию ДКМ, совмещено и электрически соединено с ним.

2. Диапазонный ультракоротковолновый вибратор по п.1, отличающийся тем, что высота Н_пмк ПМК выбрана из условия Н_пмк≥0,2λ_max, где λ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона волн.

3. Диапазонный ультракоротковолновый вибратор по п.1, отличающийся тем, что углы α, β, γ выбраны в интервалах α=45°-55°; β=45°-55°; γ=20°-30°.

4. Диапазонный ультракоротковолновый вибратор по п.1, отличающийся тем, что высоты Н_дмк и Н_пумк выбраны из условия Н_дмк=Н_пумк=(0,4-0,6)Н_пмк.