ШИРОКОПОЛОСНАЯ АНТЕННА Российский патент 2022 года по МПК H01Q1/36 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для работы с широкополосными радиопередающими устройствами.

Антенна широкополосная, простая по конструкции, в области малых электрических длин своего излучателя обладает повышенной энергетической эффективностью (повышенными уровнями сопротивления излучения, коэффициента полезного действия и излучаемой мощности), а также имеет рабочий диапазон частот, расширенный в сторону нижних частот. Антенна может найти применение в широкополосных передающих комплексах связи коротковолнового диапазона (от 1,5 до 30 МГц), устанавливаемых на подвижных объектах, например морских судах, а также на береговых радиоцентрах.

Известна антенна верхнего питания /1/, состоящая из вибраторного излучателя верхнего питания высотой l, который своим основанием с помощью опорного изолятора установлен на проводящей поверхности. К входу излучателя подключено своим выходом нижнечастотное широкополосное согласующее устройство (ШСУ), также установленное на проводящей поверхности. Вход этого ШСУ является входом всей антенны /1/.

Во внутреннюю полость нижнего плеча вибраторного излучателя встроены коаксиальная линия питания и верхнечастотное широкополосное согласующее устройство (ШСУ), которое выполнено в виде неперестраиваемой четырехполюсной лестничной цепи из реактивных элементов. Между основанием излучателя и проводящей поверхностью, параллельно опорному изолятору, подключен выключатель, служащий для изменения точки питания излучателя в зависимости от выбранного значения рабочей частоты (рабочей длины волны λ).

Нижнечастотное ШСУ содержит четырехполюсную согласующую цепь и линию обхода, которые объединены своими входами и своими выходами с помощью двух переключателей.

Рабочий диапазон длин волн антенны определяется соотношением 0,05 ≤ l/λ ≤ 1,25, что соответствует максимальной рабочей длине волны λ_макс=20l и минимальной рабочей длине волны λ_мин=0,8l.

В области верхних частот, где электрическая длина излучателя лежит в пределах (0,2-0,25) ≤ l/λ ≤ 1,25, выключатель в его основании замкнут, и излучатель тем самым переводится в режим верхнего питания. В нижнечастотном ШСУ включена линия обхода. Согласование антенны осуществляется верхнечастотным ШСУ, встроенным в ее излучатель, за счет чего антенна в области верхних частот работает в широкополосном режиме без каких-либо перестроек и переключений.

Для работы антенны в области нижних частот, где электрическая длина излучателя лежит в пределах 0,05 ≤ l/λ ≤ (0,2-0,25), выключатель в его основании размыкается и он (излучатель) переводится в режим нижнего питания, что позволяет значительно снизить шунтирующее действие емкостей верхнечастотного ШСУ и коаксиальной линии питания, встроенных в излучатель. Линия обхода нижнечастотного ШСУ при этом отключается, и согласование антенны осуществляется входящей в это ШСУ четырехполюсной согласующей цепью.

Такая антенна, несмотря на изменение положения точки питания и наличие нижнечастотного ШСУ, в области нижних частот обладает низкой энергетической эффективностью (низким коэффициентом полезного действия и низким уровнем излучаемой мощности), что объясняется малой электрической длиной ее излучателя. Так, излучатель корабельной вибраторной антенны К-667-001МБ с рабочим диапазоном частот от 1,5 до 30 МГц, выполненный по схеме, описанной в /2/ и использованный в /1/ (в варианте без цилиндрических проводников), имеет, в зависимости от исполнения антенны, геометрическую длину от 10 до 11 м. На частоте, равной 1,5 МГц, электрическая длина излучателя l/λ составляет всего лишь 0,05-0,055. Вследствие этого излучатель имеет низкое сопротивление излучения и высокую добротность, что приводит к необходимости использования в составе четырехполюсной согласующей цепи нижнечастотного ШСУ переключаемых или перестраиваемых удлиняющих индуктивностей значительной величины (до 100 мкГн). Конечное значение добротностей этих индуктивностей (обычно, не более 60-100 для воздушных катушек при их установке в закрытом корпусе ограниченного размера) в совокупности с низким сопротивлением излучения излучателя приводят к существенному снижению коэффициента полезного действия (КПД) нижнечастотного ШСУ (до 25-30% на частоте 1,5 МГц). Кроме того, КПД самого излучателя при его малой электрической длине и использовании его в судовых условиях составляет не более 30-40% /3,4/.

Дополнительно снижают активную составляющую входного сопротивления излучателя, а, следовательно, КПД и коэффициент усиления (КУ) всей антенны, паразитные емкости, шунтирующие вход излучателя, -емкость нижнего изолятора, емкость соединителя между излучателем и нижнечастотным ШСУ, а также емкость удлиняющей катушки ШСУ на корпус устройства. Величина суммарной шунтирующей паразитной емкости может достигать значений в 200-300 пФ, что приводит к дополнительному снижению КПД и КУ антенны на нижних частотах рабочего диапазона на 5-7 дБ, т.е. примерно в 3,0-5,0 раз.

Совокупное воздействие вышеуказанных негативных факторов приводит к тому, что на частоте 1,5 МГц величина КПД антенны /1/ составляет не более 2,5-3,5%, а величина излучаемой ею мощности составляет не более 25-35 Вт (при работе с радиопередатчиком с выходной мощностью в 1кВт в согласованном режиме). Вследствие этого, существенно уменьшается дальность ближней связи, которая в коротковолновом диапазоне осуществляется поверхностной волной на частотах от 1,5 до 6-7 МГц, т.е. в диапазоне малых электрических длин излучателя 0,05 ≤ l/λ ≤ (0,2-0,25). В итоге подвижный объект, например морское судно, после выхода из порта очень быстро (на расстоянии примерно в 300 км) остается без коротковолновой радиосвязи, и не будет иметь ее до тех пор, пока не достигнет зоны связи пространственной (ионосферной) волной, начинающейся на расстоянии в 700-800 км от объекта.

Указанные недостатки в значительной степени отсутствуют в антенне верхнего питания /5/. Антенна общей длиной l содержит излучатель верхнего питания, состоящий из вертикального проводника длиной l_пр и трубчатого основания длиной l_осн, выполненного из проводящего материала, причем вертикальный проводник с помощью первого изолятора установлен на трубчатом основании.

На вертикальном проводнике, соосно с ним, размещен набор цилиндрических короткозамкнутых проводников, предназначенных для частотнозависимой коррекции электрической длины излучателя.

В трубчатое основание встроены входной коаксиальный кабель и согласующий блок (верхнечастотное ШСУ), который, как и в антенне /1/, осуществляет согласование в диапазоне электрических длин антенны l/λ ≥ (0,2-0,25). Так, например, для вышеуказанной коротковолновой антенны К-667-001МБ верхнечастотное ШСУ имеет рабочий диапазон частот от 6,0 МГц (l/λ ≈ 0,2-0,22) до 30 МГц (l/λ ≈ 1,0-1,1).

Трубчатое основание с помощью второго изолятора своим нижним торцом установлено на проводящем корпусе высотой h. Во внутренней полости проводящего корпуса размещены два двухполюсника, составленные из регулируемых RLC- элементов (далее - RLC-двухполюсники), отрезок линии передачи и блок переключателей, который осуществляет все коммутации элементов антенны.

Соотношение длины l_осн трубчатого основания и высоты h проводящего корпуса выбирается в пределах от 6:1 до 3:1, а соотношение их диаметров (d_осн и d_корп соответственно) выбирается в пределах от 1:1 до 1:5.

Отношение суммарной длины l_осн трубчатого основания и высоты h проводящего корпуса (l_осн+h) к длине l_пр вертикального проводника выбирается в пределах от 1:4 до 1:1, что позволяет расширить рабочий диапазон частот антенны по диаграммам направленности в сторону верхних частот.

Диаметр вертикального проводника выбирается из конструктивных соображений.

Общая длина антенны l составляет l=l_np+l_осн+h.

Антенна /5/, аналогично антенне /1/, имеет рабочий диапазон длин волн, определяемый из соотношения 0,05 ≤ l/λ ≤ 1,25.

В области верхних частот, где (0,2-0,25) ≤ l/λ ≤ 1,25, антенна /5/ работает аналогично антенне /1/, как антенна верхнего питания. При этом, второй изолятор замыкается накоротко, и излучатель антенны принимает вид излучателя верхнего питания, причем точками его питания (верхнего) являются нижний конец вертикального проводника и верхний торец трубчатого основания. Оба RLC-двухполюсника полностью отключены. Встроенный в трубчатое основание входной коаксиальный кабель соединяется с отрезком линии передачи, расположенным в проводящем корпусе. Внешний конец этого отрезка линии передачи является входом антенны. Широкополосное согласование антенны с радиочастотным кабелем (и передатчиком) осуществляет согласующий блок (верхнечастотное ШСУ).

В области нижних частот, где электрическая длина антенны лежит в пределах 0,05 ≤ l/λ ≤ (0,2-0,25), излучатель переводится в режим нижнего питания. С этой целью второй изолятор с помощью блока переключателей размыкается и входом излучателя становится нижний торец трубчатого основания.

Первый из RLC-двухполюсников подключается к нижнему концу входного коаксиального кабеля и, через этот кабель и верхнечастотное ШСУ, оказывается подключенным к верхним точкам питания. Таким образом, излучатель антенны в области нижних частот приобретает конфигурацию вибратора нижнего питания с включенной в некоторое его сечение RLC-нагрузкой, которая осуществляет настройку этого излучателя в первый (четвертьволновый) резонанс на выбранной рабочей частоте. При этом возрастает амплитуда тока в излучателе, а распределение тока вдоль излучателя принимает трапецеидальную форму вместо треугольной, что приводит к увеличению площади тока и, следовательно, к увеличению сопротивления излучения излучателя. В зависимости от выбранного соотношения длины вертикального проводника 1_пр и суммарной длины трубчатого основания и высоты проводящего корпуса (l_осн+h), а также при минимальных потерях в первом RLC-двухполюснике, действующая длина излучателя антенны /5/ может быть увеличена в 1,5 раза по сравнению с антенной /1/, за счет чего примерно в 2,25 раза увеличивается и сопротивление излучения излучателя антенны. При этом величина индуктивного сопротивления первого RLC-двухполюсника и, следовательно, величина потерь в нем, увеличиваются только в 1,5-1,8 раза /6/. Это приводит к увеличению КПД излучателя и КУ всей антенны в 1,25-1,5 раза, т.е. примерно на 1,0-1,8 дБ.

Изменяя регулируемые параметры первого RLC-двухполюсника, можно осуществлять настройку излучателя антенны в резонанс в пределах всей области нижних частот.

В отличие от антенны /1/, в антенне /5/ из всех паразитных емкостей, шунтирующих вход излучателя, присутствует только емкость второго изолятора. Величина этой емкости составляет обычно не более 10-15 пФ и не приводит к сколько-нибудь заметному снижению КПД и КУ антенны, т.к. емкость излучателя антенны при его длине в 10-11 м составляет не менее 100-110 пФ.

Указанные преимущества антенны /5/ в области нижних частот приводят к повышению уровней ее КПД и излучаемой мощности и, следовательно, к увеличению дальности связи поверхностной волной по сравнению с антенной /1/.

Наличие потерь в первом RLC-двухполюснике позволяет одновременно с настройкой антенны в резонанс расширить ее полосу пропускания.

Второй RLC-двухполюсник включается последовательно между входом излучателя и отрезком линии передачи и служит для согласования настроенного в резонанс излучателя с радиочастотным кабелем (и передатчиком).

Такая антенна по техническому решению наиболее близка к заявляемой антенне и может быть выбрана в качестве антенны-прототипа.

Однако антенна-прототип имеет характеристики, препятствующие получению требуемого технического результата, а именно:

- использование в составе антенны-прототипа первого RLC-двухполюсника с потерями, хотя и позволяет настроить ее излучатель в первый (четвертьволновый) резонанс с одновременным расширением полосы ее пропускания, но ограничивает величину амплитуды тока в излучателе. Наличие потерь, искусственно введенных в излучатель, в совокупности с его малой электрической длиной, а, следовательно, и с малой величиной его сопротивления излучения, приводит к ощутимому снижению уровня КПД антенны и величины излучаемой ею мощности /3/. При этом становится практически невозможным расширить рабочий диапазон частот антенны-прототипа в сторону нижних частот;

- использование второго RLC-двухполюсника для согласования излучателя с радиочастотным кабелем (и передатчиком) не достигает цели, поскольку настроенный в первый (четвертьволновый) резонанс излучатель имеет чисто активное входное сопротивление. Величина этого сопротивления во-многом определяется величиной потерь в первом RLC-двухполюснике /6/ и в диапазоне от 1,5 до 6 МГц при длине антенны в 10-11 м лежит обычно в пределах от одного до несколько десятков Ом. Никакой последовательно включенный реактивный двухполюсник не может осуществить трансформацию указанных активных сопротивлений в активное же сопротивление питающей радиочастотной линии (обычно это 50 или 75 Ом). Это возможно только при использовании второго двухполюсника, выполненного в виде резистора, сопротивление которого дополняет указанные величины входного сопротивления излучателя до необходимого значения в 50 или 75 Ом. Однако это существенно снижает КПД антенны, при этом становится практически невозможным расширить рабочий диапазон частот антенны-прототипа в сторону нижних частот. Кроме того, при значительном уровне выходной мощности судовых радиопередатчиков (от 0,5 до 2 кВт) такой способ согласования трудно реализовать на практике.

Для осуществления согласования антенны-прототипа за счет реактивной составляющей сопротивления второго RLC-двухполюсника необходимо произвести частичную расстройку излучателя антенны-прототипа относительно резонанса, что приводит к уменьшению амплитуды тока в антенне, а, следовательно, и к снижению КПД антенны и величины излучаемой ею мощности. Таким образом, оба способа согласования излучателя с помощью второго RLC-двухполюсника не позволяют существенно повысить энергетические показатели антенны;

- цилиндрические короткозамкнутые проводники, набор которых размещен на вертикальном проводнике, являются резонансными двухполюсниками и корректируют электрическую длину излучателя только на частотах своих четвертьволновых резонансов. В полосах между этими частотами происходит увеличение неравномерности частотной характеристики входного сопротивления излучателя антенны-прототипа, что ухудшает условия его широкополосного согласования согласующим блоком, встроенным в трубчатое основание. Кроме того, использование цилиндрических короткозамкнутых проводников значительно усложняет конструкцию антенны, увеличивает ее вес и парусность.

- выбор соотношения длины l_осн трубчатого основания и высоты h проводящего корпуса в пределах от 6:1 до 3:1 и соотношения их диаметров d_осн и d_корп в пределах от 1:1 до 1:5 заставляет реализовывать проводящий корпус в виде конструкции значительной высоты с ограниченными поперечными размерами. Это усложняет конструкцию корпуса, а также приводит к нежелательному подъему нижней точки питания излучателя и фактическому его (излучателя) укорочению, что снижает эффективность антенны-прототипа в области нижних частот.

Наличие у антенны-прототипа вышеуказанных недостатков в значительной степени уменьшает ее преимущество перед антенной /1/. Практически, величина КПД антенны-прототипа (и излучаемой ею мощности) возрастает не более чем в 1,6-1,7 раза. При этом дальность связи поверхностной волной увеличивается не более чем в 1,3 раза (примерно до 380-390 км), что не позволяет довести дальность связи поверхностной волной до ближней границы зоны связи пространственной (ионосферной) волной (до 700-800 км).

Таким образом, антенна-прототип не может обеспечить значительное увеличение энергетической эффективности в области малых электрических длин своего излучателя и сколько-нибудь существенное расширение своего рабочего диапазона частот в сторону нижних частот, а также обладает усложненной конструкцией.

В связи с этим целью изобретения является создание широкополосной антенны с повышенными уровнями коэффициента полезного действия и излучаемой мощности в области нижних частот (малых электрических длин), а также расширение рабочего диапазона частот антенны в сторону нижних частот и упрощение конструкции антенны.

Цель изобретения достигается тем, что в широкополосной антенне по п. 1 формулы изобретения, содержащей вертикальный проводник, установленный с помощью первого изолятора на верхнем торце трубчатого основания, выполненного из проводящего материала, встроенные в трубчатое основание верхнечастотный согласующий блок и входной коаксиальный кабель, а также установленный на горизонтальном экране и имеющий с ним гальванический контакт проводящий корпус, на котором с помощью второго изолятора своим нижним торцом установлено трубчатое основание, а в корпусе размещены блок переключателей и отрезок линии передачи, причем отношение суммарной длины l_осн трубчатого основания и высоты h проводящего корпуса (l_осн+h) к длине l_пр вертикального проводника лежит в пределах от 1:4 до 1:1, вертикальный проводник выполнен штыревым, а в состав антенны введены реактивный LC-двухполюсник на регулируемых элементах и нижнечастотное четырехполюсное согласующее устройство, размещенные в проводящем корпусе и соединенные своими выводами с блоком переключателей, при этом соотношение длины трубчатого основания l_осн и высоты h проводящего корпуса выбрано не превышающим 25:1, а соотношение диаметра проводящего корпуса d_корп к диаметру трубчатого основания d_осн выбрано не превышающим 100:1.

Вновь введенная совокупность признаков позволяет реализовать следующий прием:

введение в состав антенны чисто реактивного LC-двухполюсника на регулируемых элементах и нижнечастотного четырехполюсного согласующего устройства, а также выбор соотношения длины трубчатого основания l_осн и высоты h проводящего корпуса позволяют в пределах всей области нижних частот настраивать излучатель антенны в резонанс с максимально возможной амплитудой и площадью тока в нем, улучшить согласование настроенного излучателя с радиочастотным кабелем и полнее использовать для излучения всю длину антенны, что приводит к увеличению сопротивления излучения излучателя и КПД всей антенны, повышению уровня излучаемой антенной мощности и расширению ее рабочего диапазона в сторону нижних частот, при этом рабочий диапазон длин волн антенны составляет 0,04 ≤ l/λ ≤ 1,25, где l - общая длина антенны, а λ - рабочая длина волны. Выполнение вертикального проводника штыревым и выбор соотношения диаметров проводящего корпуса d_корп и трубчатого основания d_осн позволяют значительно упростить конструкцию излучателя антенны, а также выполнить проводящий корпус с минимальной высотой, что дополнительно увеличивает фактическую длину излучающей части антенны.

При выполнении широкополосной антенны по п. 2 формулы изобретения, цель изобретения достигается тем, что в состав антенны по п. 1 формулы изобретения введены спиральный излучатель и третий изолятор, причем спиральный излучатель размещен вокруг трубчатого основания, преимущественно соосно с ним, и имеет с ним своим верхним концом гальванический контакт преимущественно в его верхней точке, а нижний конец спирального излучателя с помощью третьего изолятора, установленного на проводящем корпусе, введен во внутреннюю полость проводящего корпуса и соединяется там с блоком переключателей, при этом количество витков спирального излучателя не превышает 200, соотношение диаметра спирального излучателя d_изл и диаметра трубчатого основания d_осн не превышает 50:1.

Вновь введенная совокупность признаков позволяет реализовать следующий прием:

введение в состав антенны спирального излучателя и третьего изолятора позволяет в нижнечастотной области рабочего диапазона выполнить нижнюю часть излучателя предлагаемой антенны спиральной, что значительно увеличивает электрическую длину излучателя антенны. Это, в свою очередь, позволяет существенно уменьшить величину сопротивления реактивного LC-двухполюсника на регулируемых элементах, необходимую для настройки излучателя антенны в резонанс, и снизить, тем самым, величину потерь в регулируемых элементах двухполюсника. За счет этого значительно повышаются КПД антенны и величина излучаемой ею мощности, расширяется рабочий диапазон частот антенны в сторону нижних частот, при этом рабочий диапазон длин волн антенны составляет 0,35 ≤ l/λ ≤ 1,25.

Приведенные в п. 2 формулы изобретения соотношения для выбора размеров спирального излучателя (количества витков и диаметра) позволяют в нижнечастотной области рабочего диапазона в широких пределах изменять электрическую длину спирального излучателя, а, следовательно, и излучателя предлагаемой антенны.

При выполнении широкополосной антенны по п. 3 формулы изобретения, цель изобретения достигается тем, что в антенне по п. 2 формулы изобретения спиральный излучатель выполнен с отводами, расположенными преимущественно равномерно вдоль его длины, причем нижние концы отводов с помощью вновь введенных дополнительных изоляторов, установленных на проводящем корпусе, пропущены во внутреннюю полость проводящего корпуса и соединены там с блоком переключателей, при этом число отводов лежит в пределах от 1 до 5.

Вновь введенная совокупность признаков позволяет реализовать следующий прием:

выполнение спирального излучателя с отводами, переключаемыми с помощью блока переключателей, позволяет дискретно изменять число витков этого излучателя, включенных в цепь антенны, т.е. число его «работающих» витков, в зависимости от величины рабочей длины волны антенны. При увеличении рабочей длины волны антенны число «работающих» витков ее спирального излучателя также увеличивается (дискретно), что приводит к увеличению электрической длины излучателя. Таким путем в пределах всей нижнечастотной области рабочего диапазона электрическую длину излучателя предлагаемой антенны можно сделать достаточно близкой к резонансной (четвертьволновой), т.е. осуществить «грубую» настройку излучателя. Это позволяет в пределах всей нижнечастотной области рабочего диапазона значительно уменьшить необходимую для настройки излучателя величину сопротивления реактивного LC-двухполюсника, т.е. фактически использовать LC-двухполюсник только для «тонкой» подстройки излучателя антенны в резонанс. Следовательно, значительно уменьшится и величина сопротивления потерь этого двухполюсника, что приводит к существенному увеличению КПД антенны и величины излучаемой ею мощности при одновременном расширении рабочего диапазона частот антенны в сторону нижних частот, при этом рабочий диапазон длин волн антенны составляет 0,03 ≤ l/λ ≤ 1,25.

При выполнении широкополосной антенны по п. 4 формулы изобретения, цель изобретения достигается тем, что в антеннах по п.п. 1, 2, 3 формулы изобретения входной коаксиальный кабель образован внутренней поверхностью трубчатого основания и вновь введенным проводящим штоком, размещенным во внутренней полости трубчатого основания преимущественно соосно с ним, причем верхний конец штока соединен с входом верхнечастотного согласующего блока, а нижний конец штока соединен с блоком переключателей.

Вновь введенная совокупность признаков позволяет реализовать следующий прием:

введение в состав антенны проводящего штока и использование внутренней поверхности трубчатого основания в качестве второго проводника входного коаксиального кабеля позволяет выполнить этот кабель из конструктивных элементов, что существенно упрощает конструкции трубчатого основания и блока переключателей.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображено:

фиг. 1 - схема предлагаемой антенны, выполненной по п. 1 формулы изобретения;

фиг. 2 - схема предлагаемой антенны, выполненной по п. 2 формулы изобретения;

фиг. 3 - схема предлагаемой антенны, выполненной по п. 3 формулы изобретения;

фиг. 4 - схема предлагаемой антенны, выполненной по п. 4 формулы изобретения;

фиг. 5 - конфигурация предлагаемой антенны, выполненной по п. 1 формулы изобретения, для верхнечастотной области ее рабочего диапазона;

фиг. 6 - частотные характеристики входного КБВ предлагаемой антенны и антенны-прототипа для верхнечастотной области их рабочего диапазона;

фиг. 7 - конфигурация предлагаемой антенны, выполненной по п. 1 формулы изобретения, для нижнечастотной области ее рабочего диапазона;

фиг. 8 - эквивалентная схема предлагаемой антенны, выполненной по п. 1 формулы изобретения, для нижнечастотной области ее рабочего диапазона;

фиг. 9 - распределение тока вдоль излучателей предлагаемой антенны, выполненной по п. 1 формулы изобретения, антенны-прототипа и антенны-аналога /1/ для нижнечастотной области их рабочего диапазона;

фиг. 10 - значения активной и реактивной составляющих входного сопротивления излучателя предлагаемой антенны, выполненной по п.1 формулы изобретения, для нескольких частот настройки излучателя;

фиг. 11 - частотные характеристики активной и реактивной составляющих входного сопротивления излучателя предлагаемой антенны, выполненной по п. 1 формулы изобретения, при плавной перестройке излучателя в пределах нижнечастотной области его рабочего диапазона;

фиг. 12 - частотные характеристики входного КБВ предлагаемой антенны, выполненной по п. 1 формулы изобретения, для различных видов согласования излучателя антенны в пределах нижнечастотной области его рабочего диапазона;

фиг. 13 - схема согласующего устройства для резонансного согласования излучателя;

фиг. 14 - схема согласующего устройства для широкополосного согласования излучателя в смежных полосах частот;

фиг. 15 - схема согласующего устройства для широкополосного согласования излучателя в пределах всей области нижних частот;

фиг. 16 - частотные характеристики КПД предлагаемой антенны, антенны-прототипа и антенны-аналога /1/ для нижнечастотной области их рабочего диапазона;

фиг. 17 - конфигурация предлагаемой антенны, выполненной по п. 2 формулы изобретения, для нижнечастотной области ее рабочего диапазона;

фиг. 18 - эквивалентная схема предлагаемой антенны, выполненной по п. 2 формулы изобретения, для нижнечастотной области ее рабочего диапазона;

фиг. 19 - вариант выполнения спирального излучателя с переменным шагом;

фиг. 20 - конфигурация предлагаемой антенны, выполненной по п. 2 формулы изобретения, для верхнечастотной области ее рабочего диапазона;

фиг. 21 - конфигурация предлагаемой антенны, выполненной по п.3 формулы изобретения, для нижнечастотной области ее рабочего диапазона;

фиг. 22 - эквивалентная схема предлагаемой антенны, выполненной по п. 3 формулы изобретения, при полном включении спирального излучателя;

фиг. 23 - эквивалентная схема предлагаемой антенны, выполненной по п. 3 формулы изобретения, при частичном включении спирального излучателя;

фиг. 24 - конфигурация предлагаемой антенны, выполненной по п. 4 формулы изобретения, для верхнечастотной области ее рабочего диапазона;

фиг. 25 - конфигурация предлагаемой антенны, выполненной по п. 4 формулы изобретения, для нижнечастотной области ее рабочего диапазона.

Предлагаемая широкополосная антенна по п. 1 формулы изобретения состоит из вертикального проводника 1 (фиг. 1), установленного с помощью первого изолятора 2 на верхнем торце трубчатого основания 3, выполненного из проводящего материала. Во внутреннюю полость основания 3 встроен верхнечастотный согласующий блок 4, своим выходом соединенный с вертикальным проводником 1. К входу блока 4 подключен входной коаксиальный кабель 5, наружный электрод которого гальванически соединен с внутренней поверхностью трубчатого основания 3.

Трубчатое основание 3 с помощью второго изолятора 6 установлено на проводящем корпусе 7, который в свою очередь установлен на горизонтальном экране 8 и имеет с ним гальванический контакт. Во внутренней полости проводящего корпуса 7 находятся блок переключателей 9 и подключенные к нему реактивный LC-двухполюсник 10 на регулируемых элементах, нижнечастотное четырехполюсное согласующее устройство 11 (с входом 12 и выходом 13) и отрезок линии передачи 14. К блоку переключателей 9 также подключены нижний конец входного коаксиального кабеля 5, нижний торец 15 трубчатого основания 3 и верхний торец 16 проводящего корпуса 7.

Второй конец 17 отрезка линии передачи 14 является входом антенны. Нижнечастотное четырехполюсное согласующее устройство 11 своим общим выводом 18 гальванически соединено с проводящим корпусом 7.

Верхнечастотный согласующий блок 4 является линейной пассивной электрической четырехполюсной цепью. Наиболее предпочтительным, как с точки зрения упрощения конструктивной реализации, так и с точки зрения достижения цели изобретения, является его выполнение со структурой лестничного фильтра нижних частот - с индуктивными продольными и емкостными поперечными ветвями.

Нижнечастотное четырехполюсное согласующее устройство 11 также является линейной пассивной электрической четырехполюсной цепью и, в зависимости от своего исполнения, может осуществлять согласование различного вида:

- резонансное (одночастотное) согласование в пределах всей области нижних частот;

- широкополосное согласование в смежных полосах частот, суммарно перекрывающих всю область нижних частот;

- широкополосное согласование (без каких-либо перестроек и переключений элементов) в пределах всей области нижних частот.

При этом согласующее устройство 11 может быть реализовано как лестничная электрическая цепь на LC-элементах (индуктивностях и емкостях) с переменными (для первого вида согласования) или постоянными (для третьего вида согласования) параметрами, а также на элементах с взаимоиндукцией (трансформаторах). Для второго вида согласования согласующее устройство 11 реализуется как набор переключаемых лестничных электрических цепей на LC-элементах с постоянными параметрами и элементах с взаимоиндукцией (трансформаторах). Схемы согласующего устройства 11 для всех трех видов согласования приведены на фиг. 13-15 и подробнее рассматриваются ниже (при описании работы предлагаемой антенны).

Кроме вышеуказанных вариантов, реализация согласующего устройства 11 возможна также на отрезках длинных линий.

Отрезок линии передачи 14 может быть выполнен в коаксиальном варианте, симметричном двухпроводном или однопроводном вариантах (вторым проводом в последнем случае является внутренняя поверхность проводящего корпуса 7).

Блок переключателей 9 проще всего реализуется на высокочастотных электромагнитных реле, например, вакуумных, которые выпускаются промышленностью, как в открытом, так и в коаксиальном исполнениях.

Предлагаемая широкополосная антенна по п. 2 формулы изобретения (фиг. 2) дополнительно содержит спиральный излучатель 19 и третий изолятор 20. Спиральный излучатель 19 размещен вокруг трубчатого основания 3, преимущественно соосно с ним, причем верхний конец излучателя 19 гальванически соединен с основанием 3 преимущественно в его верхней точке 21. Нижний конец спирального излучателя 19 с помощью третьего изолятора 20 проходит во внутреннюю полость проводящего корпуса 7 и подключен к блоку переключателей 9. Для наглядности, в правом верхнем углу рисунка (фиг. 2) приведено упрощенное изображение предлагаемой антенны по п. 2 формулы изобретения.

Количество витков спирального излучателя 19 и его диаметр, выбираются из соотношений, приведенных в п. 2 формулы изобретения. Намотка витков излучателя 19 вдоль трубчатого основания 3 может быть равномерной или выполняться с переменным шагом. Аналогичным образом, диаметр излучателя 19 может быть постоянным на всей его длине или переменным.

В варианте выполнения антенны по п. 3 формулы изобретения (фиг. 3) спиральный излучатель 19 выполнен с отводами 22 от его витков, при этом нижние концы отводов с помощью вновь введенных дополнительных изоляторов 23, установленных на проводящем корпусе, пропущены во внутреннюю полость проводящего корпуса и соединены там с блоком переключателей 9. Отводы 22 выполнены вдоль длины спирального излучателя 19 преимущественно равномерно, что позволяет обеспечить плавное изменение электрической длины излучателя предлагаемой антенны при поочередном подключении или отключении отводов 22.

Для наглядности, в правом верхнем углу рисунка (фиг. 3) приведено упрощенное изображение предлагаемой антенны по п. 3 формулы изобретения.

В варианте выполнения антенны по п. 4 формулы изобретения (фиг. 4) входной коаксиальный кабель образован вновь введенным проводящим штоком 24 и внутренней поверхностью трубчатого основания 3. Проводящий шток 24 размещен во внутренней полости трубчатого основания 3, преимущественно соосно с ним. Верхний конец штока 24 соединен с входом верхнечастотного согласующего блока 4, а нижний конец штока соединен с блоком переключателей 9.

Заявляемое в п. 4 формулы изобретения техническое решение по замене коаксиального кабеля 5 на конструктивно выполненный коаксиальный кабель, совмещенный с трубчатым основанием 3, является идентичным для всех трех вариантов предлагаемой антенны, выполненных по п.п. 1, 2, 3 формулы изобретения. В связи с этим на фиг. 4 изображена схема антенны, применительно к п.1 формулы изобретения.

Предлагаемая антенна по п.1 формулы изобретения работает следующим образом.

В верхнечастотной области ее рабочего диапазона (0,2-0,25) ≤ l/λ ≤ 1,25 с помощью блока переключателей 9 (фиг. 1) в антенне осуществляются следующие коммутации. Изолятор 6 замыкается накоротко (в точках 15, 16). Нижний конец входного коаксиального кабеля 5 соединяется с отрезком линии передачи 14. Реактивный LC-двухполюсник 10 и нижнечастотное согласующее устройство 11 полностью отключаются. Антенна приобретает конфигурацию антенны верхнего питания (фиг. 5), совпадающую с конфигурацией антенны-прототипа для верхнечастотной области (за исключением набора цилиндрических короткозамкнутых проводников, присутствующих в антенне-прототипе). Входом антенны является конец 17 отрезка линии передачи 14. Широкополосное согласование антенны с радиочастотным кабелем обеспечивается верхнечастотным согласующим устройством 4. Частотная характеристика входного КБВ антенны для этой области частот приведена на фиг. 6 (кривая 25). Здесь же приведена частотная характеристика КБВ антенны-прототипа (кривая 26), обладающая существенно большей неравномерностью, обусловленной ярко выраженными резонансными свойствами цилиндрических короткозамкнутых проводников, входящих в состав антенны-прототипа.

В нижнечастотной области рабочего диапазона 0,04 ≤ l/λ ≤ (0,2-0,25) в антенне с помощью блока переключателей 9 (фиг. 1) осуществляются следующие коммутации. Изолятор 6 размыкается. Реактивный LC-двухполюсник 10 на регулируемых элементах подключается к нижнему концу входного коаксиального кабеля 5. Нижнечастотное согласующее устройство 11 своим входом 12 подключается к отрезку линии передачи 14, а своим выходом 13 подключается к входу излучателя - точке 15.

Полученная конфигурация антенны приведена на фиг. 7.

Реактивный LC-двухполюсник 10 через входной коаксиальный кабель 5 и верхнечастотное согласующее устройство 4 оказывается включенным в сечение излучателя антенны между нижним концом 27 вертикального проводника 1 и верхней точкой 21 трубчатого основания 3. Эквивалентная схема антенны изображена на фиг. 8, где двухполюсник 28 представляет собой сопротивление цепи, составленной из каскадно-соединенных согласующего устройства 4 и кабеля 5, нагруженных на двухполюсник 10. Все три элемента этой цепи являются реактивными, следовательно, двухполюсник 28 также имеет чисто реактивное сопротивление, вид которого (индуктивное или емкостное сопротивление) и величину можно изменять путем регулировки LC-элементов двухполюсника 10. Таким способом оказывается возможным обеспечить включение между точками 21 и 27 реактивного сопротивления с величиной, обеспечивающей настройку излучателя антенны в резонанс в пределах всей области нижних частот.

Поскольку в пределах области нижних частот электрическая длина каскадно-соединенных согласующего устройства 4 и кабеля 5, как правило, не превышает 0,25, то в простейшем случае двухполюсник 10 на LC-элементах может быть выполнен в виде переменной индуктивности (вариометра или набора переключаемых индуктивностей). Если же указанная электрическая длина превышает 0,25, то двухполюсник 10 может быть выполнен в виде переменной (переключаемой) емкости с тем, чтобы обеспечить индуктивный характер сопротивления двухполюсника 28.

Регулируя LC-элементы двухполюсника 10, можно изменять величину индуктивного сопротивления эквивалентного двухполюсника 28 (фиг. 8) и за счет этого осуществлять настройку излучателя предлагаемой антенны в резонанс в пределах всей нижнечастотной области рабочего диапазона. При этом распределение тока вдоль настроенного в резонанс излучателя приобретает характерную трапецеидальную форму (кривая 29, фиг. 9), что, как указано выше, увеличивает сопротивление излучения излучателя и приводит к выигрышу в КПД, КУ и величине излучаемой мощности примерно на 1,0-1,8 дБ относительно классических вибраторных антенн нижнего питания с треугольной формой распределения тока (кривая 30, фиг. 9), в том числе и антенны /1/, которая в диапазоне нижних частот питается в своей нижней точке. Антенна-прототип /5/ при ее настройке в резонанс также имеет трапецеидальное распределение тока (кривая 31, фиг. 9), но из-за наличия потерь в элементах ее настройки, амплитуда тока у антенны-прототипа меньше, чем у предлагаемой антенны. Следствием этого являются пониженные уровни КПД и излучаемой мощности у антенны-прототипа по сравнению с предлагаемой антенной. Таким образом, как классические вибраторные антенны нижнего питания, так и антенна-прототип уступают предлагаемой антенне по величине КПД, КУ и излучаемой мощности.

Кроме того, за счет выбора соотношений высоты и диаметра излучателя предлагаемой антенны, соответственно, с высотой и диаметром ее проводящего корпуса 7 удается уменьшить высоту корпуса, не изменяя его объем. Это позволяет увеличить реальную высоту излучателя на 5-10% по сравнению с антенной-прототипом, что приводит к дополнительному увеличению сопротивления излучения, КПД и величины излучаемой мощности примерно на 10-20%.

На частотах своей настройки излучатель предлагаемой антенны имеет чисто активное входное сопротивление, зависящее от добротности двухполюсника 28 (и, следовательно, двухполюсника 10) и изменяющееся в пределах нижнечастотной области от 8-16 до 34-35 Ом для значений добротности, лежащих в пределах от 100 до 300 (значения сопротивлений 8 Ом и 34 Ом соответствуют добротности, равной 300, а 16 Ом и 35 Ом соответствуют добротности, равной 100). На фиг. 10 приведены значения активной (кривые 32) и реактивной (кривые 33) составляющих входного сопротивления настроенного излучателя для нескольких значений частот его настройки при среднем значении добротности двухполюсника 28 (около 200). При плавной перестройке регулируемых LC-элементов двухполюсника 10, излучатель антенны в пределах нижнечастотной области будет иметь приведенные на фиг. 11 частотные характеристики активной (кривая 34) и реактивной (кривая 35) составляющих входного сопротивления, причем реактивная составляющая имеет величину, равную или близкую к нулю. Нижнечастотное четырехполюсное согласующее устройство 11 осуществляет трансформацию (согласование) этого активного сопротивления в сопротивление, равное волновому сопротивлению входного радиочастотного кабеля (обычно 50 или 75 Ом). В зависимости от технических требований, согласующее устройство 11, как было указано ранее, может выполнять согласование различных видов - резонансное (кривые 36 на фиг. 12), широкополосное в смежных полосах частот (кривые 37) или широкополосное в пределах всей нижнечастотной области (кривая 38). Схемы согласующего устройства 11 для всех трех видов согласования приведены соответственно на фиг. 13 (резонансное согласование), фиг. 14 (согласование в смежных полосах частот) и фиг. 15 (согласование в пределах всей нижнечастотной области). Здесь 39 - это перестраиваемые LC-элементы; 40 - полосовые лестничные цепи на неперестраиваемых LC-элементах 41, работающие в смежных полосах частот; 42 и 43 -последовательные и параллельные LC-контуры, а 44 - элементы с взаимоиндукцией. Указанные цепи принципиально могут быть также реализованы на отрезках длинных линий.

В отличие от антенны-прототипа, в предложенной антенне согласование осуществляется четырехполюсным согласующим устройством 11 без потерь. В связи с этим, КПД всей антенны определяется только добротностью двухполюсника 28 и, следовательно, добротностью двухполюсника 10. На фиг. 16 приведена частотная характеристика КПД предлагаемой антенны (кривые 45) при добротности двухполюсника 28, равной 100. Здесь же для сравнения приведены частотная характеристика КПД антенны-прототипа (кривая 46) при условии ее полного согласования (КБВ=1) вторым RLC-двухполюсником с потерями и частотная характеристика КПД антенны /1/ с нижнечастотным согласующим устройством (кривая 47). Из приведенных характеристик видно, что предлагаемая антенна обладает значительно более высоким уровнем КПД (и величиной излучаемой мощности) по сравнению с антенной-прототипом и, тем более, антенной /1/. За счет этого, рабочий диапазон длин волн может быть расширен в сторону нижних частот до величины l/λ=0,04. Дальнейшее расширение рабочего диапазона предлагаемой антенны в сторону нижних частот ограничивается существенным возрастанием величин напряжений (и реактивных мощностей) на элементах двухполюсника 10 и верхнечастотного согласующего блока 4.

Спад КПД, а также КУ и величины излучаемой мощности, предлагаемой антенны на нижних частотах объясняется, прежде всего, малой электрической длиной излучателя антенны и конечной величиной добротности индуктивных элементов двухполюсника 28 (и двухполюсника 10), необходимых для настройки этого излучателя в резонанс. Для увеличения электрической длины излучателя и уменьшения величины сопротивления потерь двухполюсника 28 (и двухполюсника 10) в состав предлагаемой антенны по п. 2 формулы изобретения введен спиральный излучатель 19 (фиг. 2), который своим нижним концом через третий изолятор 20 подключен к блоку переключателей 9.

Антенна работает следующим образом.

В области нижних частот, где l/λ ≤ (0,2-0,25), в предлагаемой антенне с помощью блока переключателей 9 осуществляются следующие коммутации.

К нижнему концу входного коаксиального кабеля 5 подключается двухполюсник 10. Изолятор 6 в точках 15, 16 размыкается, и нижний торец трубчатого основания оказывается «висящим в воздухе». Входом излучателя предлагаемой антенны является нижний конец спирального излучателя 19, который соединяется с выходом 13 нижнечастотного согласующего устройства 11. Вход 12 согласующего устройства соединяется с проводником 17, являющимся входом антенны. При этом конфигурация предлагаемой антенны принимает вид, изображенный на фиг. 17. Эквивалентная схема антенны изображена на фиг. 18.

Как следует из эквивалентной схемы, спиральный излучатель 19 электрически удлиняет излучатель предлагаемой антенны, что приводит к уменьшению необходимой для настройки излучателя величины индуктивности двухполюсника 28 (и двухполюсника 10) и снижению сопротивления его потерь. Это, в свою очередь, приводит к увеличению КПД антенны и излучаемой ею мощности, особенно на самых низких частотах.

Улучшение энергетических характеристик делает возможным расширение рабочего диапазона частот предлагаемой антенны по п. 2 формулы изобретения в сторону нижних частот до значений l/λ ≥ 0,035.

Использование спирального излучателя 19 за счет выбора числа его витков позволяет настроить излучатель предлагаемой антенны в резонанс в пределах всей области нижних частот, в том числе и на самой нижней рабочей частоте при l/λ ≈ 0,035 при минимальном (нулевом) сопротивлении эквивалентного двухполюсника 28. Однако, в этом случае электрическая длина спирального излучателя 19, а, следовательно, и электрическая длина всего излучателя предлагаемой антенны, становятся избыточными на более высоких частотах. Настройка на этих частотах излучателя в резонанс с помощью двухполюсника 10 может стать затруднительной. В связи с этим целесообразно выбирать такое число витков спирального излучателя 19, чтобы собственная частота первого резонанса излучателя предлагаемой антенны (без двухполюсника 28) лежала в средней части области нижних частот. При этом одновременно удается как повысить КПД антенны на самых нижних частотах, так и без затруднений осуществлять настройку излучателя в резонанс с помощью двухполюсника 10 на более высоких частотах. Частотная характеристика КПД предлагаемой антенны при такой ее настройке приведена на фиг. 16 (кривая 48).

Спиральный излучатель 19 может быть выполнен как с одинаковым, так и с переменным шагом. Пример выполнения излучателя с переменным шагом приведен на фиг. 19. Аналогичным образом, спиральный излучатель 19 может выполняться с переменным диаметром, например, увеличивающимся к основанию предлагаемой антенны, что является определенным удобством с конструктивной точки зрения.

В верхнечастотной области рабочего диапазона (0,2-0,25) ≤ l/λ ≤ 1,25 с помощью блока переключателей 9 (фиг. 2) в предлагаемой антенне по п. 2 формулы изобретения осуществляются коммутации, аналогичные коммутациям, осуществляемым в антенне по п.1 формулы изобретения. Изолятор 6 замыкается накоротко (в точках 15, 16). Нижний конец входного коаксиального кабеля 5 соединяется с отрезком линии передачи 14. Реактивный LC-двухполюсник 10 и нижнечастотное согласующее устройство 11 полностью отключаются.

Дополнительно к этому, нижний конец спирального излучателя 19 замыкается на проводящий корпус 7 (фиг. 20) и оказывается зашунтированным трубчатым основанием 3. За счет этого антенна по п. 2 формулы изобретения в верхнечастотной области имеет одинаковую электрическую схему с антенной по п. 1 (фиг. 5) и работает аналогично ей.

Наличие зашунтированного спирального излучателя 19 несколько увеличивает эквивалентный диаметр нижнего плеча предлагаемой антенны -трубчатого основания 3, что приводит к некоторому увеличению уровня входного КБВ предлагаемой антенны по п. 2 формулы изобретения по сравнению с антенной по п. 1 формулы изобретения.

Частотная характеристика входного КБВ предлагаемой антенны по п. 2 формулы изобретения для этой области частот приведена на фиг. 6 (кривая 49).

В предлагаемой антенне по п. 2 формулы изобретения использование спирального излучателя 19 с фиксированным числом витков обеспечивает в пределах всей области нижних частот l/λ ≤ (0,2-0,25) только одну собственную частоту первого резонанса излучателя предлагаемой антенны. На остальных частотах этой области приходится осуществлять настройку в первый резонанс с помощью двухполюсника 28, величина сопротивления которого и, следовательно, величина сопротивления потерь в нем могут достигать значительных величин. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению КПД предлагаемой антенны.

Для изменения числа витков и, следовательно, электрической длины спирального излучателя 19 при изменении рабочей частоты в антенне по п. 3 формулы изобретения вдоль длины спирального излучателя 19, преимущественно равномерно, выполнены отводы 22 (фиг. 3). Нижние концы спирального излучателя 19 и отводов 22 (через изоляторы 20 и 23 соответственно) подключены к блоку переключателей 9.

Антенна работает следующим образом.

В области нижних частот, где l/λ ≤ (0,2-0,25), с помощью блока переключателей 9 (фиг. 3) в предлагаемой антенне по п. 3 формулы изобретения осуществляются коммутации, аналогичные коммутациям, осуществляемым в антенне по п. 2 формулы изобретения. К нижнему концу входного коаксиального кабеля 5 подключается двухполюсник 10. Изолятор 6 в точках 15, 16 размыкается, и нижний торец трубчатого основания оказывается «висящим в воздухе». Вход 12 нижнечастотного согласующего устройства 11 соединяется с проводником 17, являющимся входом антенны. К выходу 13 согласующего устройства 11 с помощью блока переключателей 9 подключаются (в зависимости от величины рабочей длины волны) либо нижний конец спирального излучателя 19, либо нижний конец одного из отводов 22. На фиг. 21 для примера приведена конфигурация предлагаемой антенны при подключении к выходу 13 согласующего устройства 11 нижнего конца спирального излучателя 19. Нижние концы отводов 22 остаются при этом разомкнутыми и на процесс настройки излучателя предлагаемой антенны практически не влияют.

При работе на самой нижней частоте, с целью обеспечения максимальной величины электрической длины излучателя предлагаемой антенны, необходимо использовать полную длину спирального излучателя 19 и к выходу 13 согласующего устройства 11 подключается нижний конец излучателя 19. Нижние концы отводов 22 находятся в разомкнутом положении. Эквивалентная схема антенны при этом имеет вид, изображенный на фиг. 22. Выбор количества витков и диаметра спирального излучателя 19 в пределах соотношений, приведенных в п. 2 формулы изобретения, позволяет на нижней рабочей частоте увеличить электрическую длину предлагаемой антенны по п. 3 формулы изобретения вплоть до резонансной (четвертьволновой).

По мере возрастания рабочей частоты (уменьшения рабочей длины волны) длина спирального излучателя 19 (количество его витков) становится избыточной. С помощью блока переключателей 9 происходит укорочение рабочей длины спирального излучателя путем поочередного подключения к выходу 13 согласующего устройства 11 нижних концов отводов 22, начиная от нижних отводов к верхним. Таким образом обеспечивается уменьшение количества рабочих витков спирального излучателя (витков, включенных в цепь излучателя предлагаемой антенны), а, следовательно, и уменьшение электрической длины излучателя предлагаемой антенны вплоть до резонансной (четвертьволновой). При этом нижние концы остальных отводов 22 и спирального излучателя 19 находятся в разомкнутом положении.

Эквивалентная схема антенны для одной из рабочих частот (при подключении одного из отводов) имеет вид, изображенный на фиг. 23.

Согласно п. 3 формулы изобретения число отводов 22 лежит в пределах от 1 до 5. Наличие пяти отводов позволяет разбить область нижних частот, имеющую перекрытие примерно 7:1, на шесть полос с относительной шириной, равной примерно 38% каждая. При этом в каждой полосе за счет подключения с помощью соответствующего отвода 22 необходимого числа витков спирального излучателя 19 электрическая длина предлагаемой антенны может быть подобрана равной или близкой к резонансной -четвертьволновой. В этом случае двухполюсник 28 (и двухполюсник 10), осуществляющий точную настройку в пределах каждой полосы, будет иметь минимальную величину своего сопротивления и, следовательно, минимальные потери, что повышает КПД, КУ и излучаемую мощность. Частотная характеристика КПД изображена на фиг. 16 (кривая 50).

Выполнение спирального излучателя 19 с более чем пятью отводами не ведет к существенному улучшению электрических характеристик антенны и при этом усложняет ее конструкцию.

Наличие переключаемых секций дает возможность максимально увеличить электрическую длину спирального излучателя 19 на самой нижней рабочей частоте, без избыточности электрической длины этого же излучателя в верхней части нижнечастотного диапазона, что позволяет расширить диапазон рабочих длин волн до значений l/λ ≥ 0,03.

В верхнечастотной области рабочего диапазона (0,2-0,25) ≤ l/λ ≤ 1,25 с помощью блока переключателей 9 (фиг. 3) в предлагаемой антенне по п. 3 формулы изобретения осуществляются коммутации, аналогичные проводимым в антенне по п.2 формулы изобретения. Изолятор 6 замыкается накоротко (в точках 15, 16). Нижний конец входного коаксиального кабеля 5 соединяется с отрезком линии передачи 14. Реактивный LC-двухполюсник 10 и нижнечастотное согласующее устройство 11 полностью отключаются.

Дополнительно к этому, нижние концы спирального излучателя 19 и всех его отводов 22 замыкаются на проводящий корпус 7, и излучатель 19 с отводами 22 оказываются зашунтированными трубчатым основанием 3. За счет этого антенна по п. 3 формулы изобретения в верхнечастотной области имеет одинаковую электрическую схему с антеннами по п. 1, 2 (фиг. 5) и работает аналогично им.

Наличие зашунтированного спирального излучателя 19 с отводами 22 несколько увеличивает, как и в предлагаемой антенне по п. 2 формулы изобретения, эквивалентный диаметр нижнего плеча предлагаемой антенны - трубчатого основания 3, при этом уровень входного КБВ предлагаемой антенны по п. 3 формулы изобретения практически совпадает с аналогичным уровнем предлагаемой антенны по п. 2 (фиг. 6, кривая 49).

Для упрощения конструкции, по сравнению с антенной-прототипом, в предлагаемой антенне по п. 4 формулы изобретения вместо отдельного входного коаксиального кабеля 5 (фиг. 1, 2, 3) в состав антенны введен проводящий шток 24 (фиг. 4), который совместно с внутренней проводящей поверхностью трубчатого основания 3 образует жесткий коаксиальный кабель. При этом проводящий шток 24 является центральным электродом вновь образованного кабеля.

Необходимая величина волнового сопротивления этого кабеля обеспечивается выбором соотношения диаметров внутренней поверхности трубчатого основания 3 и проводящего штока 24. Например, для волнового сопротивления в 75 Ом соотношение этих диаметров должно составлять 3,5 /7/. При наличии конструктивной необходимости в уменьшении диаметра штока 24 внутренняя полость трубчатого основания 3 может быть заполнена высокочастотным диэлектриком с соответствующей величиной диэлектрической проницаемости.

Как указывалось выше, заявляемое в п. 4 формулы изобретения техническое решение реализуется идентично для всех трех вариантов предлагаемой антенны, выполненных по п.п. 1, 2, 3 формулы изобретения. В связи с этим работа антенны рассматривается применительно к п. 1 формулы изобретения.

Антенна по п. 4 формулы изобретения работает следующим образом.

В верхнечастотной области ее рабочего диапазона (0,2-0,25) ≤ l/λ ≤ 1,25 с помощью блока переключателей 9 (фиг. 4) в антенне осуществляются следующие коммутации.

Изолятор 6 замыкается накоротко (в точках 15, 16). Нижний конец проводящего штока 24 соединяется с отрезком линии передачи 14. Реактивный LC-двухполюсник 10 и нижнечастотное согласующее устройство 11 полностью отключаются. Антенна приобретает конфигурацию антенны верхнего питания, изображенную на фиг. 24 и полностью совпадающую с конфигурацией антенны по п. 1 формулы изобретения, приведенной на фиг. 5.

Очевидно, что с точки зрения электрических характеристик обе конфигурации антенны (фиг. 24 и фиг. 5) являются идентичными.

В области нижних частот, где l/λ ≤ (0,2-0,25), с помощью блока переключателей 9 (фиг. 4) в предлагаемой антенне по п. 4 формулы изобретения осуществляются следующие коммутации.

Изолятор 6 размыкается. Реактивный LC-двухполюсник 10 на регулируемых элементах подключается между нижним концом проводящего штока 24 и нижним торцом 15 трубчатого основания 3. Нижнечастотное согласующее устройство 11 своим входом 12 подключается к отрезку линии передачи 14, а своим выходом 13 подключается к входу излучателя - точке 15.

Антенна приобретает конфигурацию, изображенную на фиг. 25 и полностью совпадающую с конфигурацией антенны по п. 1 формулы изобретения, приведенной на фиг. 7.

Очевидно, что с точки зрения электрических характеристик обе конфигурации антенны (фиг. 25 и фиг. 7) являются идентичными.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1) Антенна верхнего питания. Заявка 5033093/09 от 5.03.92, опубл. 10.06.96.

2) Антенна верхнего питания. А.с. СССР №1663656.

3) Надененко С.И. Антенны. - М.: Связьиздат, 1959. - 552 с., ил.

4) Тарнецкий А.А., Осипов Д.Д. Антенны судовой радиосвязи. - Л.: Судпромгиз, 1960. - 236 с., ил.

5) Антенна верхнего питания. А.с. СССР №1805516.

6) Овсяников В.В. Вибраторные антенны с реактивными нагрузками. - М.: Радио и связь, 1985. - 120 с., ил.

7) Гроднев И.И., Фролов П.А. Коаксиальные кабели связи. - М.: Радио и связь, 1983. - 208 с., ил.

Изобретение относится к антенной технике, в частности к широкополосным антеннам. Техническим результатом является повышение КПД действия и излучаемой мощности антенны в области нижних частот, а также расширение рабочего диапазона частот антенны в сторону нижних частот. Технический результат достигается тем, что широкополосная антенна, содержащая вертикальный проводник, установленный с помощью первого изолятора на верхнем торце трубчатого основания, выполненного из проводящего материала, встроенные в трубчатое основание верхнечастотный согласующий блок и входной коаксиальный кабель, а также установленный на горизонтальном экране и имеющий с ним гальванический контакт проводящий корпус, на котором с помощью второго изолятора своим нижним торцом установлено трубчатое основание, а в корпусе размещены блок переключателей и отрезок линии передачи, отличается тем, что вертикальный проводник выполнен штыревым, а в состав антенны введены реактивный LC-двухполюсник на регулируемых элементах и нижнечастотное четырехполюсное согласующее устройство, размещенные в проводящем корпусе и соединенные своими выводами с блоком переключателей, при этом определены соотношения габаритных размеров внешних деталей антенны. 3 з.п. ф-лы, 25 ил.

1. Широкополосная антенна, содержащая вертикальный проводник, установленный с помощью первого изолятора на верхнем торце трубчатого основания, выполненного из проводящего материала, встроенные в трубчатое основание верхнечастотный согласующий блок и входной коаксиальный кабель, а также установленный на горизонтальном экране и имеющий с ним гальванический контакт проводящий корпус, на котором с помощью второго изолятора своим нижним торцом установлено трубчатое основание, а в корпусе размещены блок переключателей и отрезок линии передачи, причем отношение суммарной длины l_осн трубчатого основания и высоты h проводящего корпуса к длине l_пр вертикального проводника лежит в пределах от 1:4 до 1:1, отличающаяся тем, что вертикальный проводник выполнен штыревым, а в состав антенны введены реактивный LC-двухполюсник на регулируемых элементах и нижнечастотное четырехполюсное согласующее устройство, размещенные в проводящем корпусе и соединенные своими выводами с блоком переключателей, при этом соотношение длины трубчатого основания l_осн и высоты h проводящего корпуса не превышает 25:1, а соотношение диаметра проводящего корпуса d_корп к диаметру трубчатого основания d_осн не превышает 100:1.

2. Широкополосная антенна по п. 1, отличающаяся тем, что в состав антенны введены спиральный излучатель и третий изолятор, причем спиральный излучатель размещен вокруг трубчатого основания, преимущественно соосно с ним, и имеет своим верхним концом гальванический контакт с трубчатым основанием преимущественно в его верхней точке, а нижний конец спирального излучателя с помощью третьего изолятора, установленного на проводящем корпусе, введен во внутреннюю полость корпуса и соединен там с блоком переключателей, при этом количество витков спирального излучателя не превышает 200, соотношение диаметра спирального излучателя d_изл и диаметра трубчатого основания d_осн не превышает 50:1.

3. Широкополосная антенна по п. 2, отличающаяся тем, что спиральный излучатель выполнен с отводами, расположенными преимущественно равномерно вдоль его длины, причем нижние концы отводов с помощью вновь введенных дополнительных изоляторов, установленных на проводящем корпусе, пропущены во внутреннюю полость проводящего корпуса и соединены там с блоком переключателей, при этом число отводов лежит в пределах от 1 до 5.

4. Широкополосная антенна по пп. 1, 2, 3, отличающаяся тем, что входной коаксиальный кабель образован внутренней поверхностью трубчатого основания и вновь введенным проводящим штоком, размещенным во внутренней полости трубчатого основания преимущественно соосно с ним, причем верхний конец штока соединен с входом верхнечастотного согласующего блока, а нижний конец штока соединен с блоком переключателей.