Составной конический несимметричный вибратор Российский патент 2017 года по МПК H01Q9/00 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антенной технике, и в частности составной конический несимметричный вибратор (СКНВ) может быть использован в качестве приемной и/или передающей ультракоротковолновой (УКВ) антенны совместно с широкодиапазонными УКВ радиостанциями, применяемыми для подвижных объектов связи.

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

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

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.

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 составного конического несимметричного вибратора (СКНВ), обладающего меньшими электрическими размерами, т.е. меньшим соотношением l/λ_max, где l - длина образующей конуса, при одновременном обеспечении требуемого качества согласования.

Сущность изобретения достигается тем, что антенна (фиг. 1) состоит:

1 - полый металлический конус (ПМК) высотой h₁ и радиусом основания r₁ и углом при вершине α;

2.1 - первый усеченный полый металлический конус (УПМК) высотой h₂ и радиусами оснований r₂₁, r₂₂;

2.2 - второй усеченный полый металлический конус (УПМК) высотой h₃ и радиусами оснований r₃₁, r₃₂;

2.3 - третий усеченный полый металлический конус (УПМК) высотой h₄ и радиусами оснований r₄₁, r₄₂;

3 - проводящая плоскость;

4 - коаксиальный фидер.

ПМК 1 высотой h₁ и радиусом r₁ и углом при вершине α установлен вертикально над проводящей плоскостью 3 и обращен к ней вершиной, коаксиальный фидер 4, центральный проводник которого подключен к вершине ПМК 1, а экранная оболочка - к проводящей плоскости, первый УПМК 2.1 высотой h₂ и радиусами оснований r₂₁, r₂₂, соединен основанием радиусом r₂₁ с основанием радиусом r₁ ПМК 1, второй УПМК 2.2 высотой h₃ и радиусами оснований r₃₁, r₃₂, соединен с основанием радиусом r₃₁ с основанием УПМК 2.1 радиусом r₂₂, третий УПМК 2.3 высотой h₄ и радиусами оснований r₄₁, r₄₂, основание радиусом r₄₁ соединено с основанием УПМК 2.2 радиусом r₃₂.

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 и ширин вибратора.

Аналогичный физический процесс реализуется в электрически коротких вибраторах, в которых 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. В заявленном СКНВ это же увеличение его электрических размеров реализуется без увеличения его высоты и ширины. Соотношения физических размеров элементов конструкции заявленного СКНВ и его параметров, при которых достигается указанный технический результат, были определены экспериментально и составили: h₁≥0,04λ_max; α=90°-100°; h₀=h₁+h₂+h₃+h₄≥0,145λ_max; r₁≥0,04λ_max, r₂₁≥0,05λ_max, r₂₂=r₃₁≥0,09λ_max, r₃₂=r₄₁≥0,1λ_max, r₄₂=r₀≥0,15λ_max, l₀≥0,208λ_max.

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

Для заявленной антенны: λ_max=10 м волновое сопротивление коаксиального фидера ρ_ф=50 Ом, h₀=1,45 м, l₀=2,08 м, r₀=1,5 м, α=90°, r₁=0,4 м, r₂₁=0,5 м, r₂₂=r₃₁=0,9 м, r₃₂=r₄₁=1 м, r₄₂=r₀=1,5 м, h₁=0,4 м, h₂=0,4 м, h₃=0,2 м, h₄=0,45 м.

Для прототипа ρ_ф=50 Ом, h=2,26 м, l=3,2 м, r=2,26 м, α=90°

Результаты измерений, приведенные на фиг. 2 (КСВ) и фиг. 3 (ДН), дают основания для следующих выводов.

При равных максимальных физических размерах у заявленного СКНВ l₀=2,08 м и у прототипа l=2,08 м уровень КСВ≤2 обеспечивается у заявленной антенны начиная с электрической длины образующей конуса l₀/λ_max=0,208, у прототипа с электрической длины образующей конуса l/λ_max=0,32 (см. фиг. 2).

Высота ПМК 1 выбрана из условия h₁≥0,04λ_max, где λ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона. Угол при вершине СКНВ α выбран в интервале α=90°-100°. Радиусы оснований первого УПМК 2.1, второго УПМК 2.2 и третьего УПМК 2.3 выбраны из условий r₂₁≥0,05λ_max, r₂₂=r₃₁≥0,09λ_max, r₃₂=r₄₁≥0,1λ_max, r₄₂=r₀≥0,15λ_max.

Следовательно, в заявленном СКНВ достигается снижение электрических размеров в 1,54 раза. Снижение электрических размеров и возможность формирования неискаженной формы ДН (см. фиг. 3) указывает, что благодаря новой совокупности существенных признаков заявленного СКНВ при его использовании достигается указанный выше результат.

Заявленный СКНВ работает следующим образом. При подаче возбуждающей ЭДС по коаксиальному фидеру 6 к точке «А»-«Б» высокочастотный (в.ч.) ток проводимости протекает от точки «А» по внешней поверхности ПМК 1 высотой h₁=0,04λ_max и радиусом основания r₁=0,04λ_max, далее по внешней поверхности первого УПМК 2 высотой h₂=0,04λ_max и радиусами оснований r₂₁=0,05λ_max, r₂₂=0,09λ_max, соединенного основанием радиусом r₂₁ с основанием ПМК 3 радиусом r₁, далее по внешней поверхности второго УПМК 3 высотой h₃=0,02λ_max и радиусами оснований r₃₁=0,09λ_max, r₃₂=0,1λ_max, соединенного основанием радиусом r₃₁ с основанием УПМК 2 радиусом r₂₂, далее по внешней поверхности третьего УПМК 4 высотой h₄=0,045λ_max и радиусами оснований r₄₁=0,1λ_max, r₄₂=0,15λ_max, соединенного основанием радиусом r₄₁ с основанием УПМК 3 радиусом r₃₂.

Таким образом, обеспечивается увеличение пути тока проводимости по коническим поверхностям, что эквивалентно удлинению конического несимметричного вибратора и, следовательно, увеличению его электрического размера без увеличения габаритных размеров антенны, после чего переходит в ток смещения и замыкается через ток проводимости проводящей плоскости 3 на точку «Б» подключения экранной оболочки коаксиального фидера 4. (фиг. 4). При этом путь тока проводимости увеличивается без увеличения физической высоты СКНВ.

Изобретение относится к антенной технике, и в частности составной конический несимметричный вибратор (СКНВ) может быть использован в качестве приемной и/или передающей ультракоротковолновой (УКВ) антенн совместно с широкодиапазонными УКВ радиостанциями применяемых для подвижных объектов связи. Технический результат заключается в уменьшении электрических размеров. Указанный технический результат достигается за счет СКНВ, который состоит из полого металлического конуса (ПМК) высотой h₁ и радиусом r₁, установленного вертикально над проводящей плоскостью и обращенного к ней вершиной с углом α, коаксиального фидера, центральный проводник которого подключен к вершине конуса, а экранная оболочка - к проводящей плоскости, дополнительных трех усеченных полых металлических конусов (УПМК), установленных соосно, соединенных с друг с другом основаниями: первого УПМК высотой h₂ и радиусами оснований r₂₁, r₂₂, соединенного основанием радиусом r₂₁ с основанием ПМК радиусом r₁, второго УПМК высотой h₃ и радиусами оснований r₃₁, r₃₂, соединенного основанием радиусом r₃₁ с основанием УПМК радиусом r₂₂, третьего УПМК высотой h₄ и радиусами оснований r₄₁, r₄₂, основание радиусом r₄₁ соединено с основанием УПМК радиусом r₃₂, основание усеченного конуса r₄₂. 4 ил.

Составной конический несимметричный вибратор (СКНВ) высотой h₀, радиусом основания r₀, расстоянием от вершины до окружности, образующей его основание l₀, содержащий полый металлический конус (ПМК), первый, второй, третий усеченные полые металлические конусы (УПМК), проводящую плоскость, коаксиальный фидер, ПМК высотой h₁ и радиусом r₁ и углом при вершине α установлен вертикально над проводящей плоскостью и обращен к ней вершиной, коаксиальный фидер, центральный проводник которого подключен к вершине ПМК, а экранная оболочка - к проводящей плоскости, первый УПМК высотой h₂ и радиусами оснований r₂₁, r₂₂ соединен основанием радиусом r₂₁ с основанием радиусом r₁ ПМК 1, второй УПМК высотой h₃ и радиусами оснований r₃₁, r₃₂ соединен с основанием радиусом r₃₁ с основанием УПМК радиусом r₂₂, третий УПМК высотой h₄ и радиусами оснований r₄₁, r₄₂, основание радиусом r₄₁ соединено с основанием УПМК радиусом r₃₂, основание третьего УПМК радиусом r₄₂=r₀, отличающийся тем, что на ПМК соосно установлены и электрически соединены основаниями друг с другом первый, второй и третий УПМК разной высоты и различными радиусами оснований.