Антенна верхнего питания Советский патент 1993 года по МПК H01Q1/36 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для работы с широкополосными радиопередающими устройствами, Антенна может найти применение в широкополосных радиопередающих комплексах связи, устанавливаемых на подвижных объектах, поскольку в рабочем диапазоне частот обладает повышенным уровнем коэффициента бегущий волны и улучшенной с точк зрения условий для дальней связи формой диаграммы направленности с прижатым к земле главным лепестком. . . .

Известна вибраторная антенна верхнего питания, представляющая собой вертикальный вибратор, состоящий из верхнего и нижнего излучателей, причем нижний излучатель своим нижним основанием имеет электрический контакт с проводящей плоскостью. Антенна возбуждается в центре с помощью линии передачи, размещенной во внутренней полости нижнего излучателя, при этом внутренний проводник линии передачи соединен с верхним излучателем.

Основными достоинствами антенны яв- С/) ляются простота и механическая прочность антенны, что свя зано с отсутствием в ее составе весьма ненадежных опорных изоля- торов; большая, чем у штыревых антенн, широкополосность по диаграммам направленности (ДН). Так, у штыревых антенн от- рыв главного лепестка ДН от земли наблюдается уже при длине рабочей волны 00 А 1,6 L (L/ Д 0,625), а у антенны верхнего 0s питания в зависимости от соотношения (J между длинами плеч при Я (0,926-0,97) L. Qs

Однако такая антенна имеет ограничен- fn ный рабочий диапазон частот, что объясняется следующими причинами:

1) недостаточная для работы в стандар- . тных диапазонах широкополосность по диаграммам направленности, Так, например, антенна верхнего питания длиной 12 м с соотношением длин плеч около 3:1 имеет оптимальную форму ДН только до частоты 27 МГц и не может быть использована в стандартном коротковолновом диапазоне 1,5-30 МГц. Помимо этого на частоте, где электрическая длина верхнего излучателя

становится равной 0,5, наблюдается подъем главного лепестка ДН до угла в 30-40°;

2) ярко выраженный резонансный характер частотной характеристики входного КБ В, поскольку антенна фактически является резонансной;

3) наличие встроенной фидерной линии, дополнительно снижающей входной КБВ,

Указанные недостатки не позволяют использовать антенну совместно с широкополосными радиопередающими устройствами,

Известна антенна верхнего питания, состоящая из верхнего излучателя, выполненного в виде вертикального проводника, и нижнего излучателя, выполненного в виде трубчатого основания, электрически соединенного с проводящей плоскостью-гори- зонтальным экраном, На вертикальном проводнике соосно с ним размещена коаксиальная ступенчатая структура из цилиндрических проводников, соединенных с вертикальным проводником в его нижней точке, причем число проводников не превышает трех. Во внутрен ней полости трубчатого основания расположён широкополосный согласующий блок, ко входу которого присоединен входной коаксиальный кабель.

Основными достоинствами антенны являются расширенный рабочий диапазон частот по диаграммам направленности и значительно более равномерный, чем у вибраторной анте.нны верхнего питания, и повышенный уровень КБВ , что достигается оптимальным выбором размеров антенны и ее элементов и совместным действием ступенчатой структуры из цилиндрических проводников и широкополосного согласующего блока. Такая антенна по техническому решению наиболее близка к заявляемой антенне и может быть выбрана в качестве антенны- прототипа. .

Недостатками антенны-прототипа являются следующие:. ,

1) недостаточно высокий уровень КБВ при реализации ее в варианте с одним цилиндрическим проводником. Использование трех проводников усложняет антенну, делает ее тяжелой и громоздкой;

2) задирание главного лепестка ДН до угла 30-40° при электрической длине вертикального проводника (с учетом удлиняющего действия цилиндрических проводников), равной 0,5, что снижает качество связи.

Таким образом, антенна-прототип не может обеспечить начительное увеличение КБВ и оптимальную с точки зрения дальней связи с прижатым к земле главным лепестком форму ДН в пределах рабочего диапазона частот.

Цель изобретения - увеличение степени входного согласования антенны и улучшение формы ее ДН в пределах рабочего диапазона частот.

Цель изобретения достигается тем, что в антенне, содержащей вертикальный проводник и трубчатое основание, изолятор между ними, соосный с вертикальным проводником и внешний по отношению к нему

цилиндрический проводник, размещенный во внутренней полости трубчатого основания широкополосный согласующий блок и

входной коаксиальный кабель, указанный цилиндрический проводник выполняется из

материала с потерями и имеет электрический контакт с вертикальным проводником, например, в его верхней точке. Добротность линии, образованной цилиндрическим проводником с потерями и расположенным

внутри него отрезком вертикального проводника выбирается в пределах от 1 до 10. Радиус гв.п. вертикального проводника вы-, бирается в пределах от 1/4000 до 1/200 длины антенны L, радиус Гп цилиндрического проводника выбирается в пределах от 1/2000 до 1/100 длины антенны L, а электрическая длина 1ПЭ цилиндрического проводника выбирается из условия:

30

1пэ - 0,5 К1в.п.э.

где К - поправочный коэффициент, зависящий от толщины антенны и равный 1,02-1,05; IB.п.э -электрическая длина вертйкального проводника. .

Вновь введенная совокупность признаков позволяет реализовать следующий прием: использование цилиндрического проводника с потерями позволяет за счет

изменения распределения тока вдоль антенны сделать электрическую длину вертикального проводника отличной от 0,5, в пределах всего рабочего диапазона частот антенны, а следовательно, позволяет в пределах этого диапазона реализовать ДН оптимальной формы с прижатым к поверхности земли главным лепестком. Кроме того, введение потерь, сопротивление которых является частотнозависимым, позволяет

повысить уровень входного КБВ антенны без заметного снижения ее коэффициента полезного действия (КПД), Равномерность частотной характеристики КБВ обеспечивается широкополосным согласующим блоком.

Авторам не известны технические решения, в которых используется указанный технический прием. На основании этого авторы считают, что предлагаемое техническое решение обладает существенными отличиями.

На фиг.1 схематично, изображена предлагаемая антенна; на фиг.2 - схема широкополосного согласующего блока, I вариант; на фиг.З - то же, II вариант; на фиг.4 - распределение тока вдоль антенны; на фиг.5 - входное сопротивление отрезков линий из цилиндрических проводников без потерь и с потерями; на фиг.б - частотные характеристики КБВ и активных составляющих входного сопротивления излучателя без потерь и с потерями; на фиг.7 - частотные характеристики КБВ и КПД антенны без потерь и с потерями.

Предлагаемая антенна состоит из вертикального проводника 1 (фиг.1), трубчатого основания 2, изолятора 3 между ними, широкополосного согласующего блока 4, расположенного внутри трубчатого основания, входного коаксиального кабеля 5 и цилиндрического проводника 6, соосного с вертикальным проводником 1 и имеющего с ним электрический контакт, например, в его верхней точке 7. Трубчатое основание 2 установлено на горизонтальном экране 8 и имеет с ним электрический контакт.

Вход излучающей части антенны образован точкой 9 и верхней точкой 10 трубчатого основания 2. К входу излучающей части своим выходом 11 через изолятор 3 подключен широкополосный согласующий блок 4, к входу 12 которого подключен входной коаксиальный кабель 5. Кабель 5 может быть выполнен из радиочастотного коаксиального кабеля (как на фиг.1) или образован внутренней поверхностью трубчатого основания 2 и-дополнительным проводником, присоединенным к входу 12 согласующего блока.

Широкополосный согласующий блок (ШСБ) может быть выполнен в двух вариантах. .......

ШСБ по варианту I выполнен в виде лестничной электрической цепи 14 (фиг.2), в продольные и поперечные ветви которой включены реактивные двухполюсники 15, составленные из DC-элементов - индуктив- ностей и емкостей. На фиг.2 для. примера изображена лестничная цепь пятого порядка. Зажимы 16,17 образуют ход согласующего блока, а 18,19 - его выход.

ШСБ по варианту II выполнен в виде лестничной электрической цепи 20 (фиг.З), в продольные ветви которой включены реактивные двухполюсники 21, представляющие собой либо индуктивности, либо параллел ьные LC-контуры. В поперечные ветви включены последовательно соединенные выключатели 22 и реактивные двухполюсники 23, составленные из LC-элементов индуктивностей и емкостей. К входным зажимам 24 и 25 цепи 20 подключена своими выходными зажимами 26 и 27 П-образная электрическая цепь 28, в продольную ветвь 5 которой включена переменная индуктивность 29, а в поперечные ветви включены переменные емкости 30,31. Входные зажимы 32,33 П-образной цепи являются входом согласующего блока, а его выходом являют10 ся выходные зажимы 34,35 лестничной электрической цепи,

Общая дяина антенны L составляет 0,05-0,2 от максимальной, рабочей длины волны Амакс. При этом если L составляет

5 около 0,2А макс, то используется первая реализация ШСБ, если же L меньше 0,2 Амакс, то используется вторая реализация ШСБ. Минимальная рабочая длина волны антенны Амин составляет не менее 0,8 L

0 Соотношение длин вертикального проводника 1в.п. и трубчатого основания 0сн ле- жит в пределахот4:1 до 3:1, что необходимо для получения оптимальных по форме ДН в максимально широком диапазоне частот.

5 Радиус трубчатого основания г0сн лежит в пределах от 1 /200 до 1 /60 от длины антенны, радиус Гв.л, вертикального проводника выбирается в пределах от 1 /4000 до 1 /200 от длины антенны L, при этом возможность

0 утоньшения вертикального проводника по . сравнению с антенной-прототипом обусловлена введением потерь, - Электрическая длина цилиндрического проводника пэ выбирается из условия

5

пэ 0,5 Кв.п.э,

где К - поправочный коэффициент, зависящий от толщины антенны и равный

0 1,02-1,05.

Указанное условие выбора п.э позволяет обеспечить, отсечку тока на частотах, где электрическая длина вертикального, проводника 8.п.э становится равной 0,5, и

5 тем самым получить на этих частотах опти мальную форму ДН.

Величина потерь выбирается такой, чтобы добротность короткозамкнутой линии 13, образованной цилиндрическим провод0 ником с потерями и соответствующей частью вертикального проводника, лежала в пределах от 1 до 10. За счет этого удается сделать электрическую длину вертикального проводника отличной от 0,5 в пределах

5 всего рабочего диапазона частот антенны. Кроме того, поскольку указанная коротко- замкнутая линия 13 является резонансной системой, то сопротивление ее потерь час- тотнозависимо и позволяет повысить КБВ

излучающей части йнтенны, уменьшив прежде всего спад КБВ на частоте параллельного резонанса антенны.

Указанные потери могут быть введены за счет выполнения цилиндрического проводника из материалов с потерями, например, на основе угольных волокнистых материалов (УВМ), Известные УВМ делятся на карбонизированные (температура термообработки 1773-2273 К, содержание углерода 80-99%) и графитированные (температура термообработки до 3273 К, содержание углерода выше 99%). Удельное электрическое сопротивление карбонизированных УВМ составляет (0,4-70)-105 Ом- м, а графитированных - (0,003-0,6)-105 Ом-М, следовательно, карбонизированные относятся к полупроводникам, а графитизирован- ные занимают промежуточное положение между полупроводниками и проводниками. Электропроводность УВМ можно значительно повысить дополнительной металлизацией,

В настоящее время серийно выпускаются промышленностью различные УВМ, в том числе такие, как шнур углеродистый УЭШ-8, тесьма углеродистая УЭТ-21, угольные нити Урал-Н-2400, Урал-Т-22Р. Вы-, пускаются также полуфабрикаты - препреги, представляющие собой ленточные УВМ различной ширины, пропитанные неотвержденным эпоксидным связующим длительного хранения, что позволяет упростить технологию создания излучателей с потерями, и их элементов. Введение потерь в такие излучатели осуществляют путем на- клеивания на поверхность излучателей лент-препрегов из УВМ с дальнейшей обработкой (обжимка, окраска и т.п.).

Необходимая величина потерь и характеристика их частотной зависимости обеспечивается выбором длины и поперечного сечения УВМ (лент, шнуров, нитей).

Предлагаемая антенна работает следующим образом, ,..:.

Как указана выше, при 1в.п.э 0,5 (например, на частоте f0, фиг.5) наблюдается задирание главного лепестка ДН до угла 30-40°. Цилиндрический, четвертьволновый на частоте 10, проводник без потерь, используемый в антенне-прототипе, скорректирует форму ДН на этой частоте путем отсечки (подавления) тока (кривая 36, фиг.4). Однако за счет размаха положительной ветви своего реактивного входного сопротивления (кривая 37, фиг.5) он всегда удлинит вертикальный проводник до электрической длины,, равной 0,5 (например, на частоте fi), и задирание ДН будет происходить уже на этой частоте.

При введении потерь в цилиндрический проводник с электрической длиной п.э 0,5 К 1в.п.э входное сопротивление ZBx короткозамкнутого отрезка линии 13 (фиг.1)

имеет вид, изображенный на фиг.5 (кривая 38 - активная составляющая R Вх, кривая 39 - реактивная составляющая ХВх входного сопротивления ZBX R их + JXBX). Если величина потерь выбирается такой, что доброт0 ность отрезка линии 13 лежите пределах от 1 до 10, то на частоте fo за счет всплеска RBX также будет осуществляться подавление тока (кривая 36, фиг.4) и коррекция формы ДН до оптимальной, а за счет уменьшенного

5 размаха Хвх (кривая 39, фиг.5) на частоте fi и на других частотах рабочего диапазона уменьшение вертикального проводника до электрической длины, равной 0,5, достигаться .не будет. Следовательно, ДН антен0 ны будет иметь оптимальную форму во всем рабочем диапазоне частот,

ШСБ, входящий в состав антенны, в диапазоне длин волн от 5 L до Амин обеспечивает на своем входе характеристику КБВ,

5 обладающую достаточной равномерностью и повышенным уровнем. Степень равномерности и величина уровня зависят от наличия на характеристике КБВ излучающей части антенны, глубоких провалов. При выполне0 нии цилиндрического проводника без потерь такой провал характеристик КБВ . (кривая 40, фиг.6) имеет место на частоте параллельного резонанса fnapan за счет значительной величины активной составляю5 щей входного сопротивления (кривая 41, фиг.6)..

При введении потерь в цилиндрический проводник величина резонансного сопротивления уменьшается (кривая 42, фиг.6) и,

0 следовательно, уменьшается глубина провала характеристики КБВ (кривая 43, фиг.6). В связи с этим характеристика входного КБВ антенны с потерями будет иметь большие равномерность и уровень (кривая 44,

5 фиг.7), чем в случае антенны без потерь в цилиндрическом проводнике (кривая 45, фиг.7).

Наличие чэстотнозависимых потерь позволяет улучшить КБВ и форму ДН антенны

0 без заметного ухудшения ее КПД. На фиг.7 изображена частотная характеристика КПД (кривая 46), имеющая минимум не хуже 0,6- 0,65 на частоте подавления тока и сохраняющая высокий уровень на остальных

5 частотах диапазона..

Широкополосный согласующий блок, используемый в предлагаемой антенне, аналогичен по схеме и функциям блоку, используемому в антенне-прототипе. Если длина, антенны L составляет около 0,2

Амакс. то используется первая реализация широкополосного согласующего блока, представляющая собой лестничную электрическую цепь 14 (фиг.2), в ветви которой включены реактивные двухполюсники 15. Методы синтеза таких цепей изложены в общедоступной литературе и в большинстве своем основываются на оптимизации характеристик этих цепей с помощью ЭВМ. С помощью такого ШСБ можно значительно уменьшить неравномерность кривой 43 (фиг.6) и поднять ее уровень. Полученная частотная характеристика КБВ антенны будет иметь П-обрэзный вид (кривая 44, фиг.7).

Если длина антенны меньше 0,2 Ямакс (от 0,05 до 0,2 Амакс), то используется вторая реализация ШСБ, Это устройство в диапазоне длин волн от Амакс до 5 осуществляет резонансное согласование антенны, а в диапазоне от 5 L до Амин осуществляет широкополосное согласование (как и ШСБ по первой реализации). Кроме того, в диапазоне от 5 до Амин осуществляется дополнительная (наряду с фильтрами передатчика) фильтрация гармоник излучаемого сигнала.

В диапазоне от 5 L до Амин выключателя 22 в поперечных ветвях лестничной электрической цепи 20 ШСБ замкнуты и согласование осуществляется этой лестничной цепью, Принцип действия и методы синтеза этой цепи те же, что и у ШСБ, по первой реализации, однако в продольных ветвях лестничной цепи стоят только индуктивности и (или) параллельные LC-контуры (двухполюсники 21). В этом же диапазоне на базе П-образной электрической цепи 28, входящей в состав ШСБ, реализуется набор ок- тавных фильтров гармоник. Подробно такие фильтры и методы их синтеза описаны в общедоступной литературе (Лондон С.Е. Широкополосные радиопередающие устройства. - М,: Энергия, 1970).

В диапазоне длин волн от Амакс до 5 L выключатели 22 в поперечных ветвях лестничной электрической цепи 20 разомкнуты и эта цепь представляет собой последовательную ветвь с индуктивным сопротивлением, частично компенсирующим емкостную реактивную составляющую входного сопротивления-излучающей части антенны. Основное же резонансное согласование осуществляется П-образной электрической цепью 28 и характеристики КБВ антенны имеют вид кривых 47 (фиг.7).

Совместное использование цилиндрического проводника с потерями заданной величины и широкополосного согласующего блока, выбор соответствующим образом размеров элементов антенны позволяют достичь цели изобретения.

Формула изобретения

Антенна верхнего питания, содержащая вертикальный проводник, закрепленный посредством изолятора на трубчатом

основании, установленном на горизонтальном экране, проводящий цилиндр, размещенный коаксиально с вертикальным проводником, коаксиальный кабель и расположенный внутри трубчатого основания

широкополосный согласующий блок, выход которого соединен с вертикальным проводником и верхним торцом трубчатого основания, а вход - с коаксиальным кабелем, при этом общая длина антенны L и длины вертикального проводника в.п. и трубчатого основания IQCH выбраны из соотношений:

L (0,05 - 0,2) Амакс : ,81:

1в.п.Л

оси

3-4,

где Амакс, Амин - максимальная.и минималь- ная длины волны рабочего диапазона, отличающаяся тем, что, с целью улучшения согласования и повышения КПД, проводящий цилиндр выполнен из материала с потерями и гальванически соединен с вертикальным проводником, при этом добротность короткозамкнутой коаксиальной линии, образованной проводящим цилиндром и расположенным вдоль его оси отрезком вертикального проводника, составляет 1-10, а размеры вертикального проводника и проводящего.цилиндра выбраны из соотношений:

45

Гв.п. (0,00025 - 0,005) L; гп (0,0005- 0,01) L;

п.э. 0,5 К 8.п.э,

где гв.п.,гп - радиусы вертикального проводника и проводящего цилиндра соответственно:

п.э. - электрическая длина проводящего цилиндра;

|в.п.э - электрическая длина вертикального проводника;

К 1,02-1,05 - поправочный коэффициент.

77s sssr

Фи г. Ц

Фиг5

Использование: широкополосные системы радиосвязи для подвижных объектов. Сущность изобретения: антенна состоит из вертикального проводника, размещенного вдоль оси проводящего цилиндра из материала с потерями, установленного на трубчатом основании над экраном. Антенна подключена к коаксиальному кабелю через широкополосный согласующий блок. Соотношение размеров элементов антенны и Ёё- личина потерь проводящего цилиндра выбраны так, что обеспечивается увеличение КПД, улучшение согласования и формы ДН в рабочем диапазоне. 7 ил.

лар0/г. Фиг.6

Я мм dff

Фиг.7