Укороченная двухдиапазонная широкополосная приемопередающая антенна

 

Полезная модель относится к области радиотехники, в частности, к антенной технике, и может быть использована в системах радиоподавления, связи и других антенных системах, размещаемых на подвижных носителях. Технический результат - уменьшение габаритных размеров антенны с коаксиальным входом, формирующей в двух рабочих поддиапазонах при вертикальной поляризации круговую диаграмму направленности в азимутальной плоскости и -образную в угломестной плоскости. Для этого верхнее плечо (1) состоит из полого цилиндра (1.2) с надетым на него диском (1.1) и закрытым верхним основанием, нижняя часть цилиндра (1.2) выполнена конусообразной (1.3) и соединена гальванически с коаксиальным кабелем (5) антенны, проходящим через нижнее полое плечо (2), сечение которого имеет круглую или прямоугольную форму и диаметр или стороны равные диаметру основания цилиндра верхнего плеча (1) 0,03 макс, длина нижнего плеча (2) равна 0,09 макс, длина верхнего плеча (1) равна 0,07 макс, при этом диаметр диска (1.1), место его установки и высота конической части (1.3) являются элементами настройки антенны, причем оба плеча (1) и (2) выполнены из металла.

Предлагаемая полезная модель относится к области радиотехники, в частности к антенной технике, и может использоваться в системах радиоподавления, связи и других антенных системах, размещаемых на подвижных носителях.

Известны антенны (Ротхаммель К., Кришке.А. «Антенны», т.1, пер. с немецкого. М. - «Лайт ЛТД», 2000 г. - 460 с. ил., стр.52), обладающие круговой диаграммой направленности (ДН) в азимутальной плоскости и максимальным усилением в горизонтальном направлении и эффективно работающие в нескольких рабочих диапазонах. Как правило, такими ДН обладают вертикальные вибраторы, составленные из нескольких плеч, настроенных на разные рабочие частоты.

Их недостатком является узкая полоса частот, в которой параметры антенны сохраняют свои характеристики (коэффициент стоячей волны (КСВ), формы ДН).

Известны двухдиапазонные антенны, содержащие вибраторы и логопериодические структуры, подключенные к общему фидеру. Вибраторы обеспечивают работу антенны в одном из диапазонов, а логопериодические структуры в другом (а.с. СССР 1103317 H01Q 21/30), в которой вибратор выполнен трубчатым, а логопериодическая структура расположена на вибраторе вблизи точки возбуждения. Проблемой такой антенны является недостаточная широкополосность.

Известна двухдиапазонная антенна по патенту Великобритании 1485801. Она состоит из двух широкополосных вибраторов с плоским рефлектором, возбуждаемых двухпроводной линией, к которой подсоединены диполи логопериодической структуры. Недостатками антенны являются ее большие габариты.

Известны дискоконусные антенны, формирующие при вертикальной поляризации круговые ДН в азимутальной плоскости и -образную - в угломестной плоскости в широкой полосе частот (до 10 октав) [К.Рохменталь, «Антенны», т.1 стр.398. Изд. Данвел, М., 2005]. Электрически дискоконусные антенны ведут себя как фильтры верхних частот (ФВЧ). При их использовании в качестве двухдиапазонных антенн необходимо обеспечить эффективное излучение (например, с КСВ<2) в первом и втором поддиапазоне рабочих частот и менее эффективное (с КСВ>2) за пределами рабочих поддиапазонов. Недостатком таких антенн являются их большие габариты.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является двухдиапазонная дискоконусная антенна, по патенту РФ 2148287 H01Q 9/28, принятая за прототип.

Устройство-прототип состоит из противовеса в виде проводников, расположенных по поверхности конуса вращения, металлического диска (МД), металлической пластины (МП), установленной над металлическим диском. Коаксиальный фидер подключен одним проводником к противовесу, другим - к МД. МП подключена с помощью дополнительных отрезков проводников через отверстия в МД к экранной оболочке коаксиального фидера. Противовес подключен к экранной оболочке коаксиального фидера с помощью прямолинейных отрезков проводников, установленных с диэлектрическим зазором параллельно экранной оболочке коаксиального фидера.

Устройство-прототип работает следующим образом.

При подаче питания на коаксиальный фидер на частоте I-го поддиапазона центральный проводник коаксиального фидера, гальванически связанный с металлическим диском с помощью прямолинейного проводника, возбуждает электромагнитную волну в пространстве между металлическим диском и проводниками противовесов. Эта электромагнитная волна распространяется в горизонтальной плоскости равномерно во все стороны и имеет вертикальную поляризацию, так как возбуждающийся элемент тока ориентирован вертикально. Теоретические формы диаграмм направленности такой излучающей системы представлены на фиг.1а, б. По принципу действия она аналогична обычной дискоконусной антенне, работающей в диапазоне волн от мин2lпр (отклонение максимума диаграммы направленности вверх в вертикальной плоскости находится в допустимых пределах) до макс4lпр (при такой длине волны коэффициент стоячей волны - КСВ=2). При выборе определенной длины шлейфа, образованного прямолинейными проводниками, отключаются проводники противовесов для волны длиной ср.II (ср.II - средняя длина волны второго поддиапазона) и металлический диск противовесами не возбуждается. Принцип формирования электромагнитной волны во II-м поддиапазоне аналогичен вышеописанному. Таким образом, противовесы образуют нижнее плечо антенны, а металлический диск и металлическая пластина образуют два верхних широкополосных плеча, настроенных на разные средние частоты.

Недостатком устройства-прототипа являются относительно большие габариты, затрудняющие его использование на подвижных носителях. Действительно, устройство-прототип занимает объем (0,5×0,5×0,5)макс. Например, для 110 МГц макс/2=2720/2=1360 мм, то есть антенна занимает кубический объем со стороной ~1,3 м, или ~2,2 м3.

Задача - создание укороченной, двухдиапазонной, широкополосной приемопередающей антенны (УДШППА) с коаксиальным входом, формирующей в двух рабочих диапазонах при вертикальной поляризации круговую диаграмму направленности в азимутальной плоскости и -образную в угломестной плоскости.

Для решения поставленной задачи в укороченной двухдиапазонной дискоконусной антенне, содержащей верхнее плечо антенны, включающее металлический диск, и нижнее плечо с коаксиальным кабелем, согласно полезной модели, верхнее плечо представляет собой полый цилиндр с надетым на него диском и закрытым верхним основанием, нижняя часть цилиндра выполнена конусообразной и соединена гальванически с коаксиальным кабелем антенны, проходящим через нижнее полое плечо, сечение которого имеет круглую или прямоугольную форму и диаметр или стороны равные диаметру основания цилиндра верхнего плеча 0,03 макс, длина нижнего плеча равна 0,09 макс, длина верхнего плеча равна 0,07 макс, при этом диаметр диска, место его установки и высота конической части являются элементами настройки антенны, причем оба плеча выполнены из металла.

Схема предлагаемой УДШППА с коаксиальным входом представлена на фиг.2а, где обозначено:

1 - верхнее плечо антенны;

1.1 - металлический диск;

1.2 - цилиндрическая часть;

1.3 - коническая часть;

2 - нижнее плечо антенны;

3 - диэлектрическая прокладка;

4 - корпус мобильного транспортного средства;

5 - коаксиальный кабель.

Предлагаемая антенна содержит верхнее плечо 1, которое состоит из полого цилиндра 1.2 с закрытым верхним основанием, нижняя часть цилиндра выполнена конусообразной 1.3, а сверху на него надет металлический диск 1.1. Конусообразная часть 1.3 гальванически соединена с коаксиальным кабелем 5 антенны, проходящим через нижнее полое плечо 2, сечение которого имеет круглую или прямоугольную форму и диаметр или стороны равные диаметру основания цилиндра верхнего плеча 1 антенны 0,03 макс, длина нижнего плеча 2 равна 0,09 макс, длина верхнего плеча 1 равна 0,07 макс, при этом диаметр диска 1.1, место его установки и высота конической части 1.3 являются элементами настройки антенны. Между корпусом мобильного транспортного средства 4 и нижним плечом 2 антенны при необходимости устанавливается диэлектрическая прокладка 3.

Примером конкретного исполнения (фиг.2б - внешний вид предлагаемой антенны) может служить УДШППА, рассчитанная на работу в диапазоне частот 110-540 МГц, причем в двух поддиапазонах 140-190 МГц и 410-500 МГц, КСВ<2. На остальных частотах диапазона КСВ>2.

Нижнее плечо 2 длиной Н2=200 мм и квадратным сечением со стороной D2=80 мм выполнено из железа и одновременно является элементом крепления УДШППА к корпусу мобильного транспортного средства 4. Для гальванической развязки УДШППА и корпуса мобильного транспортного средства 4 устанавливается диэлектрическая прокладка 3 толщиной 10 мм. Коаксиальный кабель 5 проходит в плечо 2 снизу и закрепляется на его верхнем торце, соединяясь гальванически своей внешней оплеткой с плечом 2. Центральный проводник коаксиального кабеля 5 подсоединяется к вершине конической части 1.3 верхнего плеча 1. Расстояние между плечами 1 и 2 десять миллиметров. Высота конической части 1.3 H1.3 - 60 мм. Диаметр основания конуса 1.3 равен диаметру цилиндрической части 1.2 D1 и равен 80 мм. Высота цилиндрической части 1.2 H1.2, расположенной на одной оси с конической частью 1.3, равна 150 мм. На конце цилиндрической части 1.2 размещается металлический диск 1.1, который выполнен в виде круга из медного листа толщиной 2 мм. Диаметр металлического диска 1.1 D1.1 равен 240 мм, а расстояние от конца антенны до плоскости размещения металлического диска 1.1 Н1.1=20 мм. Для механического крепления плечи антенны помещаются в общий кожух из диэлектрического материала (на фиг.2 не показан).

Таким образом, общая длина антенны равна 200+10+10+210=430 мм, что значительно меньше 0,25 длины волны на нижней частоте рабочего диапазона (для 110 МГц макс/4=2720/4=680 мм). Укорочение антенны по сравнению с четверть волновым вибратором осуществляется за счет металлического диска 1.1, который, внося дополнительную индуктивность, смещает частотную характеристику антенны в область нижних частот. Диаметр металлического диска 1.1 D1.1 и расстояние от конца антенны до плоскости его размещения Н1.1, а также высота конуса 1.3 являются параметрами, с помощью которых осуществляется настройка рабочих частот второго поддиапазона. Например, при высоте конической части 1.3 Н1.3=100 мм (при сохранении неизменными Н1, Н1.1 и D1.1) рабочие частоты второго поддиапазона смещаются в область 360-460 МГц.

УДШППА на передачу работает следующим образом. Высокочастотное колебание (ВЧ) колебание с коаксиального выхода генератора (на фиг.2 не показан) подается на вход антенны по коаксиальному кабелю 5. Благодаря несимметричности, форме и размерам нижнего плеча 2 по отношению к первому плечу 1 происходит формирование требуемой зависимости от частоты входного сопротивления антенны.

На фиг.3 представлен КСВ в рабочем диапазоне с двумя приемлемыми минимумами, где обозначено:

А, В - точки, определяющие границу первого поддиапазона;

С, D - точки определяющие границу второго поддиапазона, которые соответствуют заданным границам поддиапазонов.

В этих поддиапазонах происходит эффективное излучение электромагнитной энергии с устойчивыми ДН. На фиг.4а приведена ДН УДШППА в азимутальной плоскости, а на фиг.4б - в вертикальной плоскости. Из приведенных рисунков видно, что отличие ДН УДШППА от ДН изотропного излучателя, то есть имеющего круговую ДН, не превышает 3 дБ по азимуту и 1,5 дБ в направлении на горизонт. Появление на частотах второго поддиапазона дополнительного лепестка под углом к горизонту (фиг.4б) не снижает эффективность излучения в горизонтальном направлении.

Объем, занимаемый предлагаемой УДШППА равен произведению площади диска на высоту антенны. Для рассмотренного выше примера (для fн=110 МГц макс=2720 мм) высота антенны равна 430 мм=0.43 м, площадь диска равна 3,14×0,22/4=0,17 м2. Таким образом объем, занимаемый УДШППА равен 0,43×0,17=0,07 м 3, что значительно меньше, чем у антенны прототипа (2,2 м3).

Таким образом, предлагаемая укороченная двухдиапазонная широкополосная приемопередающая антенна с коаксиальным входом формирует при вертикальной поляризации изотропную диаграмму направленности в азимутальной плоскости и -образную - в угломестной плоскости и может найти применение в подвижных системах радиоподавления с улучшенной электромагнитной совместимостью, так как вне поддиапазонов характеристики излучения хуже, чем внутри поддиапазонов.

1. Укороченная двухдиапазонная широкополосная приемопередающая антенна, содержащая верхнее плечо антенны, включающее металлический диск, и нижнее плечо с коаксиальным кабелем, отличающаяся тем, что верхнее плечо представляет собой полый цилиндр с надетым на него диском и закрытым верхним основанием, нижняя часть цилиндра выполнена конусообразной и соединена гальванически с коаксиальным кабелем антенны, проходящим через нижнее полое плечо, сечение которого имеет круглую или прямоугольную форму и диаметр или стороны, равные диаметру основания цилиндра верхнего плеча 0,03 макс, длина нижнего плеча равна 0,09 макс, длина верхнего плеча равна 0,07 макс, при этом диаметр диска, место его установки и высота конической части являются элементами настройки антенны, причем оба плеча выполнены из металла.

2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что верхнее плечо и диск выполнены из меди, а нижнее плечо - из железа.



 

Похожие патенты:

Активная дипольная антенна предназначена для измерения электрической составляющей напряженности электромагнитного поля, имеющая повышенную чувствительность в низкочастотном диапазоне, простую конструкцию с несложной технологией изготовления.

Антенна // 76504

Приемник со стабилизированным источником питания постоянного тока относятся к устройствам, предназначенным для использования в навигационных системах в качестве датчика координат для определения текущих значений координат (широта, долгота, высота), вектора скорости, а также текущего времени по сигналам СНС ГЛОНАСС, GPS (включая их функциональные дополнения SBAS), GALILEO, COMPASS в любой точке земного шара, в любой момент времени. Технический результат заключается в повышении чувствительности и помехоустойчивости приемника навигационного с целью расширения применения в современных конечных устройствах, применяемых в различных условиях, в том числе, при высоких уровнях помех.
Наверх