Многочастотная малогабаритная антенна Советский патент 1992 года по МПК H01Q9/42 

ел

со to

оо

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в радиотехнических системах дека- метрового и метрового диапазонов волн, Антенна содержит N (N 1,2,3...) антенных элементов 6, расположенных над противовесом 5 в N этажей на изолированной внешней поверхности первой проводящей трубы 1, внутри которой коаксиально расположена вторая проводящая труба 2, верхний конец которой подвижным дисковым короткоза- мыкателем 3 соединен с внутренней поверхностью первой проводящей трубы 1, а нижний конец, установленный на изоляторе 4, соединен с противовесом 5 через регулируемый реактивный элемент 16. При этом каждый элемент 6 выполнен в виде коаксиальной линии, разделенной на п (п 1,2,3...) дискретных расположенных параллельно сегментов 13, внешний и внутренний проводники 15, 1 которых соединены с внешним и внутренним проводниками 15, 1 соседних сегментов 13 последовательно и перекрестно, причем соседние антенные элементы 6 соединены также последовательно и перекрестно. Внутренний проводник первого сегмента 13 первого элемента 6 соединен через блок 8 согласования с коаксиальной линией 7 питания, а его внешний проводник - с противовесом 5, внутренний проводник 1 последнес Ј (Л

Фиг 2.

го сегмента 13 последнего элемента 6 соединен с первой трубой 1. Лбщая высота многочастотной малогабаритной антенны менее четвертым минималь- ной длины волны рабочего диапазона. Расположение N элементов 6 в N этажей позволяет сформировать всенап- равленную в азимутальной плоскости

Изобретение относится к антенным

устройствам и может быть использовано в радиотехнических системах декамет- рового и метрового диапазонов длин волн там, где требуются антенны малых размеров, в частности в подвиж- ных системах связи.

Современные вибраторные антенны широко используются как в виде самостоятельных элементов, так и в составе антенных решеток. Остро стоит проблема уменьшения размеров вибраторных антенн, расширения их рабочего частотного диапазона.

Известна малогабаритная многочастотная антенна, содержащая п рамоч- ных элементов, установленных симметрично вокруг оси над противовесом, каждый из которых имеет излучающий и защищенный специальным защитным устройством участки, радиочастотную линию от передатчика, подключенную экраном к противовесу, а внутренним проводником к одному концу первого перестраиваемого конденсатора, второй конец соединен с незащищенной частью первого антенного элемента и одним концом второго перестраиваемого конденсатора, второй конец которого соединен с противовесом, причем каждая из оставшихся частей элементов соединена с контактами реле, которые осуществляют последовательно- параллельное соединение элементов, а управление реле осуществляется блоком управления таким образом, что эффективная длина антенны изменяется в зависимости от рабочей частоты передатчика.

В известном устройстве в зависимости от рабочей частоты с помощью реле осуществляется последовательно параллельное соединение элементов, что позволяет менять частоту настройки антенны. Однако данное устройство

,-

диаграмму направленности, а размещение элементов 6 на изолированной внешней поверхности первой трубы 1 позволяет повысить КПД за счет возбуждения токов не только на внешней поверхности внешних проводников 15 элементов 6, а на всей внешней поверхности первой проводящей трубы 1. ил.

15

35

Q

25,Q

40

45

50

55

не может эффективно работать одновременно на нескольких частотах, ито не позволяет использовать его при многочастотном приеме.Кроме того,наличие большого числа коммутационных элементов существенно снижает надежность устройства. Все это ограничивает область применения известного устройства.

Известна малогабаритная вибраторная антенна, содержащая размещенный над противовесом отрезок проводящей трубы с установленным в ее полости поперечным верхним проводящим диском, причем отрезок проводящей трубы снабжен нижним проводящим диском с выполненным в нем симметрично отверстием, замыкающим ее торец, обращенный к противовесу, а между нижним и проводящими дисками установлены продольные радиальные перегородки с прорезями, разделяющие полость проводящей трубы на секторы, в каждом из которых размещены продольные изолированные проводники, последовательно соединенные один с другим перемычками, проходящими сквозь прорези продольных перегородок, причем нижний свободный конец одного из них пропущен сквозь отверстие в нижнем проводящем диске и подключен к центральному проводнику коаксиальной линии питания, а оставшийся свободный конец замкнут на нижний проводящий диск.

Известная антенна имеет небольшие габариты, но обладает малым коэффициентом перекрытия по частоте (К- - 1.25), что существенно снижает область применения.

Известна широкополосная антенна на основе отрезков коаксиальной линии, содержащая расположенный над противовесом излучатель из отрезка линии передачи, состоящей из излумающего и неизлучаюшего проводников, соединяющихся своими внешними концами, и удлинительный проводник, подключенный к указанному соединению. Неизлучающий внутренний проводник соединен с противовесом, а излучающий наружный - с передатчиком (приемником) .

В известной антенне шлейф, обра- зованный короткозамкнутым отрезком линии передачи, подключается последовательно или параллельно с точкой питания антенны и пассивными элементами. Шлейф вносит реактивное сопро- тивление, противоположное по знаку сопротивлению, возникающему в антенне при изменении частоты, таким образом происходит частичная компенсация реактивности антенны, что расши- ряет полосы частот ее эффективного излучения.

Однако известная антенна является четвертьволновым излучателем, поэтому в декаметровом диапазоне длин волн ее габариты достаточно велики, а коэффициент перекрытия по частоте мал, что ограничивает область ее применения .

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является укороченная антенна с коаксиальными линиями в качестве антенных элементов, которая содержит N (N 1,2,3...) антенных элементов, выполненных в виде коаксиальных линий длиной в четверть рабочей длины волны, разделенных на п (п 1,2,3...) дискретных, расположенных параллельно сегментов, причем внутренний про- волник одного соединен последовательно с внешним проводником соседнего сегмента, а его внешний проводник - с внутренним проводником соседнего, образуя последовательное соединение сег ментов, коаксиальную линию питания, соединенную с согласующим устройством один выходной контакт которого соединен с противовесом, а второй - с внут

ренним проводником первого сегмента первого антенного элемента.

Известная антенна имеет малые габариты и эффективно излучает на резонансной частоте. /1ля достижения эффективного излучения на N частотах предлагается несколько вариантов ло- гопериодических антенн, каждый элемент которых заменен на известную антенну. Такие логопериодические антенQ5 0

5

о

0

5

0

5

ны обладают высокой направленностью и позволяют уменьшить размер антенны только в одном направлении, так как известно, что для обеспечения широко- полосности минимальная длина логопе- риодической антенны должна быть больше 0,6 . Поэтому простая замена элементов логопериодической структуры на известные антенны позволяет уменьшить ее габариты в одном направлении.

Целью изобретения является Формирование всенаправленной в азимутальной плоскости диаграммы направленности при повышении КПЛ.

Цель достигается тем,- что R многочастотной малогабаритной антенне, содержащей N (N 1,2,3...) расположенных над противовесом, соединенных последовательно антенных элементов, выполненных в виде коаксиальных линий, разделенных на п (п 1,2,3...) дискретных, расположенных параллельно сегментов, причем внутренний проводник одного соединен последовательно с внешним проводником соседнего сегмента, а его внешний проводник - с внутренним проводником соседнего, образуя последовательное соединение сегментов, коаксиальную линию питания, / соединенную с блоком согласования, один выходной контакт которого соединен с противовесом, а второй - с внутренним проводником первого сегмента первого антенного элемента, кроме этого антенные элементы располагаются в N этажей но изолированной внешней поверхности первой проводящей трубы высотой Нс Хдд ц А, где Х миц - минимальная длина волны рабочего диапазона, внутри которой располагается коаксиально вторая труба, верхний конец которой соединен подвижным дисковым короткозамыкателем с внутренней поверхностью первой проводящей трубы, а нижний конец, установленный на изоляторе, соединен с противовесом через регулируемый реактивный элемент, причем центральный проводник последнего сегмента последнего этажа соединен с первой проводящей трубой. Размещение антенных элементов в N этажей при настройке каждого этажа, с учетом взаимного влияния соседних этажей и проводящей трубы, на свою резонансную частоту позволяет формировать всенаправленную в азимутальной плоскости диаграмму направленности.

717

Введение проводящей трубы, обладающей по сравнению с сегментами антенных элементов значительно большим КПД, так как ее размеры значительно превышают размеры сегментов, в условиях сильной связи трубы с антенными элементами повышает КПД антенны.

Отрезок короткозамкнутой линии длиной ,H М, образованный двумя коаксиально расположенными про- водя1чими трубами и подвижным дисковым корогкозамыкателем, во всем ра- бомсм диапазоне частот носит индуктивный характер. Он позволяет совместно с регулируемым реактивным элементом уменьшить величину и изменение реактивного сопротивления антенны. Таким образом,введение коротко-

замкнутого шлейфа и регулируемого реактивного элемента существенно улучшает согласование антенны с питающим фидером.

На фиг. 1 схематически изображена предложенная антенна; на фиг.2 - схема соединений кабельных антенных сегментов и элементов, на фиг.З - электрическая схема двухчастотной. антенны,1 на фиг. k - предложенная антенна, выполненная на полосковых линиях.

Многочастотная малогабаритная антенна содержит два отрезка проводящей трубы: наружный 1 и внутренний 2 проводящий диск 3, соединяющий внутреннюю поверхность наружной трубы с внешней поверхностью внутренней, изолятор k, соединяющий нижний конец, внутренней трубы 2 с противовесом 5, N (N 1,2,3...) антенных элементов 6, расположенных в N этажей на внешней поверхности наружной трубы 1, коаксиальную линию питания 7, соединенную с блоком согласования 8, общая шина 9 которого соединена с противовесом 5, а потенциальная шина 10 - с входом 11 первого антенного элемента, выход 12 которого соединен с входом 11 второго антенного элемента, а его выход 12 - с входом 11 последующего антенного элемента. Вход 12 последнего антенного элемента соединен с наружной трубой 1.

Каждый антенный элемент содержит п (п 1,2,3...) дискретных, расположенных параллельно сегментов 13, выполненных из отрезков коаксиально го кабеля. Начало внутреннего про

8

5

5

0

водника первого сегмента соединено с входом 11 антенного элемента 6, а его конец соединен с началом внешнего проводника 15 второго сегмента. Конец внешнего проводника 15 первого сегмента соединен с началом внутреннего проводника второго сегмента. Конец внутреннего проводника второго сегмента соединен с началом внешнего проводника 15 третьего сегмента . Конец внешнего проводника 15 второго сегмента соединен с началом внутреннего проводника третьего сегмента и т.д. Конец внутреннего проводника последнего сегмента соединен с выходом антенного элемента 12. Нижний конец внутренней трубы 2 соединен с противовесом через регулируемый реактивный элемент 16.

Предложенная антенна работает следующим образом.

Антенна возбуждается разностью потенциалов, создаваемой генератором на входе 1-го антенного элемента. Каждый антенный элемент 6 представляет собой резонансную систему, эквивалентную колебательному контуру, с собственным реактивным сопротивлением X нием г, г.

активным сопротивле 1П 4Ј

противление тепловых

где

in

- сопотерь , г

15

сопротивление излучения.антенного элемента. Труба 1 также может быть представлена в виде эквивалентного колебательного контура с активным

0

5

5

сопротивлением . - п

0

гг г7П + r2g: и реактивным сопротивлением Х, которое для трубы длиной 1 - А/4 носит емкостной характер. Каждый антенный элемент 6 настроен с учетом вносимых сопротивлений соседних элементов на свою резонансную частоту. Первый со стороны генератора антенный элемент настроен на верхнюю частоту рабочего диапазона, а последний - на нижнюю. Расположение антенных элементов в вертикальной плоскости значительно ослабляет паразитные связи между ними. Однако по отношению к трубе 1, от которой антенные элементы изолированы, они расположены параллельно, благодаря чему обеспечивается реактивная связь каждого антенного элемента с трубой. При чисто реактивной связи мгжду колебательными контурами )С,2 активные составляющие вносимых сопротивлений всег

да положительные, а реактивные составляющие Х,,вни Х-2ЬН имеют знаки, противоположные знакам реактивных противлений Х2г Х7 и хи

Ху + X/; ВТОРИЧНОГО (трубы) И

первичного (антенного элемента) котуров соответственно. По мере приближения частоты генератора к резонансной частоте антенного элемента т1 ей возрастает, стремясь к максимальному значению MQ)cC . Xi2/r « a гъи стремится к нулю. В свою очередь, если частота будет приближаться к резонансной частоте вторичного контура (трубы), бдет расти , стремясь к

Г4 ей. лдаке XVr2 a Чем бУЛет стремиться к нулю. Токи в антенно элементе бив трубе 1 пропорцио- нальны ЭДС генератора, поэтому максимуму тока в антенном элементе 6 булет соответствовать максимум тока в трубе 1. Оптимальное сопротивление связи X 2. выбирается из условия, что при резонансе собственное сопротивление антенного элемента равно сопротивлению, комплексно сопряженному с сопротивлением, вносимым из трубы 1 в антен- ный элемент 6. При этом квадрат отношения токов в антенном элементе и трубе будет равен ,, л энергия источника булет поровну распределяться между ними. Поэтому КП/1 антенны при резонансе и оптимальной связи равно полусумме КПД трубы и антенного элемента.

КПД предложенной антенны из-за относительно высоких потерь в ан- тенных элементах в основном определяется трубой, которую сравнительно легко реализовать с высоким КП/1. Обеспечивается согласование антенны с генератором на ре- зонансных частотах каждого антенног элемента. I

Возбуждение антенных элементов

производится в следующей последова- тельности. На верхней частоте рабочего диапазона резонирует первый со стороны генератора антенный элемент. При этом реализуется оптимальная связь первого антенного элемента 6 и трубы 1, а энергия щеточника распределяется практически поровну между ними. В другие антенные элементы поступает малая

5

5

5

0 0 5

часть энергии источника, так как они имеют на этой частоте большое реактивное сопротивление и не согласованы с генератором. При понижении частоты увеличиваются собственные емкостные сопротивления трубы и первого антенного элемента и уменьшаются индуктивные сопротивления последующих антенных элементов. При резонансе на второй рабочей частоте реализуется оптимальная связь между трубой и первыми двумя антенными элементами и примерно половина энергии источника передается трубе 1. Третий и последующие антенные элементы при этом остаются рассогласованными с генератором и к ним поступает малая доля энергии генератора. При дальнейшем понижении частоты продолжают расти собственные емкостные сопротивления трубы и первых антенных элементов. Однако, так как в сильно связанных резонансных цепях вносимые реактивные сопротивления имеют противоположные знаки, это позволяет уменьшить реактивные сопротивления и реализовать оптимальную связь и на более низких рабочих частотах последующих антенных элементов.

Последний антенный элемент нагружен на емкость трубы 1, которая на самой низкой частоте рабочего диапазона выполняет роль N + 1 антенного элемента. Следует отметить, что каждый антенный элемент и их совокупность резонируют и на своих более высоких гармониках.

. В качестве примера конкретной реализации на фиг.З приведена электрическая схема двухэлементной антенны. Каждый антенный элемент 6 состоит из трех сегментов 13. Труба 1 изображена схематически в виде емкостной нагрузки выхода 12 второго элемента 6. Для упрощения на фиг. 3 не показаны цепи сопротивлений связи индуктивного шлейфа и реактивного/сопротивления между антенной и противовесом. При возбуждении входа 11 первого антенного элемента 6 по внутреннему проводнику первого сегмента течет ток, показанный стрелкой, который вызывает на внутренней поверхности внешнего проводника коаксиального отрезка кабеля 13 противофазный ток. Так как внешний проводник заземлен, то по его внешней поверхности потечет ток того же направления, что и

11

ток, протекающий по внутреннему проводнику. На перекрестном соединении сегментов ток центрального проводника первого сегмента переходит на вненюю поверхность наружного проводника соседнего сегмента, меняя при этом свою фазу на противоположную, а ток внешней поверхности внешнего проводника первого сегмента переходит на внутренний проводник второго сегмента, также меняя фазу на противоположную. Аналогичная картина наблюдается при перекрестном соединении остальных сегментов. Выходной ток первого антенного элемента возбуждает вход 11 второго антенного элемента. Распределение тока во втором антенном элементе аналогично распределению в первом. Труба 1 является емкостной нагрузкой для последнего сегмента второго антенного элемента и,no-существу, третьим односегментным антенным элементом. Совместно с трубой 2 она одновременно является компенсирующим индуктивным шлейфом для всех антенных элементов.

Таким образом, на резонансной частоте антенного элемента, определяемой суммарной геометрической длиной всех его сегментов, вносимыми сопротивлениями соседних антенных элементов, короткозамкнутого

шлейфа и реактивности между антенной с короткозамыкателем 3. Начало внути противовесом, все токи на внешних (излучающих) поверхностях внешних проводников 15 сегментов 13 синфазны, что при оптимальной связи обеспечивает эффективность излучения. На частотах,отличных от резонансных, эффективность излучения антенны резко уменьшается за счет нарушения оптимальной связи и син- фазности токов на поверхностях сегментов ввиду дополнительных фазовых сдвигов, обусловленных реактивностя- ми сегментов. Малая связь между антенными элементами обусловлена многоэтажным расположением антенных элементов и разрывом наружного проводника при этажном расположении антенных элементов.

Регулируемый реактивный элемент 16, включенный между противовесом и нижним концом трубы 2, позволяет эффективно регулировать входной импеданс антенны.

40

45

реннего проводника 2 соединено через регулируемый реактивный элемент 16 с противовесом 5.

Каждый антенный элемент 6 содержит п (п 1,3,5...) дискретных, расположенных параллельно сегментов 13, выполненных в виде несимметрииных полосковых линий. Начало дорожки 1 первого сегмента соединено с входом 11 антенного элемента 6, а его конец соединён с началом подложки 15 второго сегмента. Конец подложки 15 первого сегмента соединен с началом дорожки 1V второго сегмента, конец 50 дорожки 1V второго сегмента соединен с началом подложки третьего сегмента, конец подложки 15 второго сегмента соединен с началом дорожки третьего сегмента и т.д. Конец дорожки последнего сегмента соединен с выходом 12 антенного элемента. Сегменты, расположенные на первой наружной обкладке 3 симметричной линии, соединены с сегментами, рас55

5

10

70592812

Следует отметить, мто подобно | тому, как из двух несимметричных штыревых антенн может быть образована симметричная антенна на ту же резонансную частоту, из двух одинаковых предложенных антенн при противофазной запитке может быть составлена симметричная многочастотная малогабаритная антенна.

На фиг. схематически изображена многочастотная антення на поло- сковых линиях.

Многочастотная малогабаритная антенна содержит симметричную поло- сковую линию, образованную двумя проводящими наружными обкладками 1 и внутренним проводником 2(, которая . замкнута на конце короткозамыкателем 3, изолятор , соединяющий нижний конец линии с противовесом 5, .N (N 1,2,3...) антенных элементов 6, расположенных в N этажей на изолированных внешних поверхностях наружных обкладок 1, коаксиальную линию питания 7. соединенную с блоком согласования 8, общая шинл Я которого соединена с противовесом 5, потенциальная шина 10 - с входом 11 первого антенного элемента, выход 12 которого соединен с входом 11 второго антенного элемента, а его выход 12 - с входом 11 последующего антенного элемента. Выход 12 последнего элемента соединен

20

25

30

0

5

реннего проводника 2 соединено через регулируемый реактивный элемент 16 с противовесом 5.

Каждый антенный элемент 6 содержит п (п 1,3,5...) дискретных, расположенных параллельно сегментов 13, выполненных в виде несимметрииных полосковых линий. Начало дорожки 1 первого сегмента соединено с входом 11 антенного элемента 6, а его конец соединён с началом подложки 15 второго сегмента. Конец подложки 15 первого сегмента соединен с началом дорожки 1V второго сегмента, конец 0 дорожки 1V второго сегмента соединен с началом подложки третьего сегмента, конец подложки 15 второго сегмента соединен с началом дорожки третьего сегмента и т.д. Конец дорожки последнего сегмента соединен с выходом 12 антенного элемента. Сегменты, расположенные на первой наружной обкладке 3 симметричной линии, соединены с сегментами, рас5

положенными но второй обкладке 3 с помощью внешних перемычек 17.

Антенна, реализованная на полос - ковых линиях, работает аналогично описанной выше антенне, выполненной на коаксиальных линиях. В ней обкладки 1 выполняют роль трубы, а поло- сковые линии, образованные дорожками 1 и подложками 15 , - роль сегментов.

Техническая эффективность предложенного устройства по сравнению с прототипом состоит в формировании всенаправленной в азимутальной плоскости диаграммы направленного при повышении КП/1. Важным преимуществом предложенной антенны по сравнению с прототипом является использование оптимально связанной трубы с антенными элементами, обладающей высоким коэффициентом полезного действия, что позволяет использовать предложенную антенну при длине сегментов значительно меньших длин волны.

формула изобретения

Многочастотная малогабаритная антенна, содержащая N (N 1,2,3...) расположенных над противовесом, соединенных последовательно антенных элементов, выполненных каждый в виде коаксиальной линии, разделенной на п (п 1,2,3...) дискретных, расположенных параллельно сегментов, причем внутренний проводник одного соединен последовательно с внешним проводником соседнего сегмента, а его внешний проводник - с внутренним проводником соседнего сегмента, образуя последовательное соединение сегментов, коаксиальную линию питания, соединенную с блоком согласования, один выходной контакт которого соединен с противовесом, а второй - с внутренним, проводником первого антенного элемента, от личающаяся тем,

5 что, с целью формирования всенаправленной в азимутальной плоскости диаграммы направленности при повышении КП/1.1 антенные элементы расположены в N этажей из изолированной

0 внешней поверхности первой проводящей трубы высотой Н 0,25 А мик ) где ,у,ин - минимальная длина волны рабочего диапазона, внутри которой коаксиально расположена вторая про5 водящая труба, верхний конец которой соединен подвижным дисковым коротко- замыкателем с внутренней поверхностью первой проводящей трубы, а нижний конец, установленный на изоляторе,

Q соединен с противовесом через регулируемый реактивный элемент, причем внутренний проводник последнего сегмента последнего антенного элемента соединен с первой проводящей трубой .

5

Ј2Пф

8Z6SOЈl