Коаксиальный вибратор

 

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенной технике, и может быть использовано в качестве приемопередающей антенны широкодиапазонной УКВ-радиостанции, устанавливаемой на транспортном средстве. Техническим результатом изобретения является разработка ненаправленной в азимутальной плоскости УКВ-антенны, обеспечивающей широкодиапазонную работу с приемлемым качеством согласования. Коаксиальный вибратор (КВ) состоит из трех соосно установленных с диэлектрическими зазорами металлических цилиндров (МЦ) 1, 2, 3. Коаксиально во внутренней полости МЦ установлен металлический стержень (МСт) 4. Коаксиально с МЦ 1 и 2 установлены металлические стаканы (МС) 5 и 6. Третий МС 7 установлен коаксиально с МЦ 1 и МС 5 и кондуктивно подключен к МСт4 и металлическому экрану 11. Коаксиальный фидер 8 подключен у диэлектрического зазора экранной оболочкой к МСт 4, а центральным проводником к МЦ 3. Приведены соотношения размеров элементов конструкции КВ, при которых достигается согласование на уровне коэффициента стоячей волны (КСВ)<3 более чем в 3-кратном диапазоне частот. 1 з.п.ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенной технике, и, в частности, заявляемый коаксиальный вибратор может использоваться в качестве ненаправленной в азимутальной плоскости приемопередающей антенны совместно с широкодиапазонными ультракоротковолновыми (УКВ) радиостанциями.

Известны ненаправленные УКВ-вибраторы, описанные, например, в книге: Гвоздев И. Н. и др. Характеристики антенн радиосистем связи. - Л:, ВАС, с. 185-191. Известные антенны представляют собой различные конструкции несимметричных вибраторов с противовесами, устанавливаемые на мачтах. Они имеют ненаправленные характеристики излучения (приема), что обеспечивает возможность их использования в сетях с неориентированными в азимутальной плоскости корреспондентами.

Однако известные аналоги имеют низкий коэффициент усиления (КУ).

Известен также коаксиальный вибратор, описанный в книге: Вершков М.В., Миротворский О. Б. Судовые антенны. - Л:, Судостроение, 1990, с. 191, рис. 6.3 б. Коаксиальный вибратор состоит из двух металлических цилиндров, установленных соосно, во внутренней полости которых размещен металлический стержень.

Однако известный коаксиальный вибратор имеет относительно невысокое значение КУ, что объясняется сложностью его согласования с приемлемым качеством при одновременной реализации максимального значения коэффициента направленного действия (КНД).

Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному является коаксиальный вибратор по Патенту РФ N 2101810, МПК H 01 Q 9/18, заявл. 19.02.96, опубл. 10.01.98. Бюл. N 1.

Антенна-прототип состоит из двух соосно установленных с диэлектрическим зазором металлических цилиндров (МЦ) и коаксиально размещенного в их внутренней полости металлического стержня (МСт). В верхнем МЦ установлен отрезок двухпроводной линии, подключенный нижним концом к коаксиальному фидеру, а верхним: одним проводом к МСт, а другим через отверстие в МЦ к его внешней поверхности. При таком исполнении достигается более высокое качество согласования и, следовательно, более высокий КУ.

Однако известный коаксиальный вибратор имеет малый диапазон рабочих частот - при его установке непосредственно над металлическим экраном (например, на крыше транспортного средства). Это объясняется нарушением условий согласования вибратора из-за резкого (двукратного) снижения активной составляющей его входного сопротивления.

Целью изобретения является разработка коаксиального вибратора, обеспечивающего достижение более широкого рабочего диапазона частот при его установке непосредственно над металлическим экраном.

Поставленная цель достигается тем, что в коаксиальный вибратор, содержащий первый и второй МЦ, каждый длиной l₁, установленные соосно и одним из торцов кондуктивно связанные с металлическим стрежнем, коаксиально размещенным в их внутренних полостях, и коаксиальный фидер, экранная оболочка которого подключена к МСт, дополнительно введены третий МЦ длиной l₂ и три металлических стакана (МС), из которых первый и второй имеют длины l₃, а третий - длину l₄. Третий МЦ установлен с диэлектрическими зазорами между первым и вторым МЦ соосно с ними. Кромки первого и второго МЦ, примыкающие к диэлектрическим зазорам, кондуктивно связаны с МСт. Первый и второй МС установлены таким образом, что в их внутренних полостях размещены коаксиально соответственно первый и второй МЦ. Во внутренней полости третьего МС установлены коаксиально первые МС и МЦ.

Основания первого и второго МС подключены кондуктивно соответственно к первому и второму МЦ. Основание третьего МС подключено кондуктивно к МСт. Первый и второй диэлектрические зазоры между МЦ расположены в пределах внутренних полостей соответственно первого и второго МС. Основание первого МС, кондуктивно связанное с первым МЦ, расположено в пределах внутренней полости третьего МС. Коаксиальный фидер подключен у первого диэлектрического зазора экранной оболочкой и центральным проводником к кромкам соответственно первого и третьего МЦ.

Длина третьего МЦ выбрана в пределах (0,4 - 0,6) λ_ср , где λ_ср - средняя длина волны рабочего диапазона волн. Длины l₁ первого и второго МЦ равны и соотносятся с длиной l₂ третьего МЦ как l₁/l₂ = 0,48 - 0,52. Длины l₃ первого и второго МС равны и соотносятся с длиной l₁ первого (второго) МЦ как l₃/l₁ = 0,8 - 1,1. Длина l₄ третьего МС выбрана в пределах (0,9 - 1,1)l₃. Отношение расстояния l_кз от основания первого и второго МС до середины соответствующего диэлектрического зазора и длины l₃ МС выбрано в пределах l_кз/l₃ = 0,7 - 1,0. Отношение расстояния r между основаниями первого и третьего МС и длины l₄ третьего МС выбрано в пределах r/l₄ = 0,05 - 0,2.

Благодаря введению третьего МЦ и первых двух МС достигается распределенное питание вибратора в двух сечениях, чем обеспечивается возможность его работы в области первого последовательного резонанса при одновременном сохранении общей длины вибратора близкой к длине рабочей волны. Введение третьего МС обеспечивает возможность работы устройства в области более низких частот без "антенного эффекта" фидера.

Кроме того, при установке коаксиального вибратора непосредственно над металлическим экраном практически не нарушается качество его согласования благодаря исключению влияния металлического экрана на входные параметры коаксиального вибратора главным образом в области последовательных резонансов. Это, а также выбранное соотношение размеров элементов коаксиального вибратора и их взаимное расположение обеспечивают в сравнении с прототипом расширение общего диапазона рабочих частот с требуемым качеством согласования.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленной антенны, отсутствуют. Т.е. заявленное устройство соответствует условию патентоспособности "новизна".

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Заявленный коаксиальный вибратор иллюстрируется чертежами, на которых показано: фиг. 1 и 2 - общий вид коаксиального вибратора; фиг. 3 - рисунок, поясняющий работу коаксиального вибратора; фиг. 4 - эпюры распределения амплитуд тока вдоль коаксиального вибратора; фиг. 5 - эквивалентная схема коаксиального вибратора; фиг. 6 - результаты экспериментальных измерений параметров заявленной антенны.

Заявленный коаксиальный вибратор, показанный на фиг. 2, состоит из первого 1 и второго 2 металлических цилиндров (МЦ) каждый длиной l₁, между которыми соосно с ними установлен с диэлектрическими зазорами Δ третий МЦ 3 длиной l₂. Во внутренних полостях МЦ размещен коаксиально металлический стержень (МСт) 4. Коаксиально с МЦ установлены первый 5, второй 6 и третий 7 металлические стаканы (МС). Длины первого 5 и второго 6 МС одинаковы и равны l₃. Длина третьего МС 7 равна l₄. Первый 5 и второй 6 МС установлены таким образом, что диэлектрические зазоры между торцами первого 1 и второго 2 МЦ и между торцами второго 2 и третьего 3 МЦ находятся во внутренних полостях соответственно первого 5 и второго 6 МС. Основания первого 5 и второго 6 МС кондуктивно связаны соответственно с первым 1 и вторым 2 МЦ (точки "а"). Примыкающие к диэлектрическим зазорам торцы первого 1 и второго 2 МЦ подключены кондуктивно к МСт 4 (точки "б").

Третий МС 7 установлен над металлическим экраном 11 таким образом, что в его внутренней полости находится основание первого МС 5, связанное кондуктивно с первым МЦ 1. Нижнее основание третьего МС 7 кондуктивно связано с МСт 4 (точки "з"), который электрически подключен к металлическому экрану 11. Коаксиальный фидер 8 подключен у первого диэлектрического зазора экранной оболочкой 9 к МСт 4 (точки "б"), а центральным проводником 10 через отверстие в МСт 4 к торцу третьего МЦ 3 (точка "в"). Расстояние l_кз от основания первого 5 (второго 6) МС до середины диэлектрического зазора составляет l_кз = (0,7 - 1,0)l₃. Длина l₂ третьего МЦ 3 выбрана в пределах l₂ = (0,4 - 0,6) λ_ср. Отношение длины l₁ первого 1 (второго 2) МЦ к длине l₂ третьего МЦ 3 выбрано в пределах l₁/l₂ = 0,48 - 0,52. Соотношение длины l₃ первого 5 (второго 6) МС и длины l₁ первого 1 (второго 2) МЦ составляет l₃/l₁ = 0,8 - 1,1. Расстояние r между основанием третьего МС 7, связанного кондуктивно с МСт 4, и основанием первого МС 5, связанного кондуктивно с первым МЦ 1, составляет r = (0,05 - 0,2)l₄. Внутренний D₂ и внешний D'₂ диаметры трех МЦ 1, 2, 3, внутренний D₃ и внешний D'₃ диаметры первого 5 (второго 6) МС, внутренний диаметр D₄ третьего МС 7 и внешний диаметр D₁ МСт 4 выбирают из условия достижения приемлемого качества согласования коаксиального вибратора в наибольшей полосе рабочих частот при заданном значении волнового сопротивления ρ_ф коаксиального фидера 8.

Заявленный коаксиальный вибратор работает следующим образом.

При подключении коаксиального фидера 8 к выходу генератора (радиостанции) в сечениях d'-d' и d-d отрезков l_xx разомкнутых линий с волновым сопротивлением ρ_c, образованных внутренними поверхностями МС 5, 6 и соответствующими им участками внешней поверхности третьего МЦ 3, возбуждаются ЭДС. Причем сечение d-d подключено к фидеру через отрезок коаксиальной линии длиной l₂, образованной внутренней поверхностью третьего МЦ 3 и внешней поверхностью МСт 4 и имеющей волновое сопротивление ρ_c. Основание вибратора подключено к экрану 11 через сопротивление Z_р (в сечении р-р) короткозамкнутой (к.з.) коаксиальной лабиринтной линии общей длиной m = l₄ + l₁, образованной на участке длиной l₄ внутренней поверхностью третьего МС 7 и внешней поверхностью первого МС 5, а на участке длиной l₁ внутренней поверхностью первого МЦ 1 и внешней поверхностью МСт 4. Т.о. заявленный коаксиальный вибратор может быть представлен в виде эквивалентного линейного излучателя, возбуждаемого в двух сечениях, установленного вертикально над металлическим экраном и подключенным к нему основанием через сопротивление Z_р (см. фиг. 3а, б).

С учетом электрических размеров элементов коаксиального вибратора и его зеркального отображения на фиг. 4 показаны распределения амплитуд тока. При этом учтены изменения величины модуля сопротивления в диапазоне рабочих частот. В низкочастотной части рабочего диапазона, когда длина к.з. коаксиальной лабиринтной линии составляет четверть рабочей длины волны (λ_p), т. е. m = λ_p/4 , в сечении p-p В этом случае с учетом зеркального отображения эквивалентная схема вибратора, показанная на фиг. 4а, представляет синфазную двухэлементную решетку. Причем вибратор "изолирован" от металлического экрана за счет того, что , и, следовательно, в этих условиях входные параметры вибратора остаются практически такими же, как и у вибратора в свободном пространстве. Аналогичные процессы будут происходить в высокочастотной части рабочего диапазона при выполнении условия m = 3/4λ_p (см. фиг. 4г). При выполнении условия m = 0,5λ_p величина обращается в ноль, т.е. При этом эквивалентная схема вибратора, показанная на фиг. 4в, представляет собой линейный вибратор с пучностью тока в точке его подключения к экрану. На рабочих частотах, когда электрическая длина "m" не кратна четверти длины рабочей волны, величина имеет промежуточное значение, т.е. При этом распределение амплитуд тока приобретает вид, показанный на фиг. 4б.

Из приведенного анализа следует, что в областях последовательного резонанса, когда активная составляющая R_А входного сопротивления Z_А вибратора имеет малую величину (несколько десятков Ом), практически исключается влияние экрана, т.е. R_А не изменяется по сравнению с величиной R_А при размещении вибратора в свободном пространстве и, следовательно, практически не нарушается качество его согласования.

В областях параллельного резонанса и в интервалах между последовательным и параллельным резонансом значение R_А относительно велико. Поэтому уменьшение R_А за счет влияния металлического экрана в этих областях не приводит к проблемам согласования вибратора.

При установке вибратора на мачте третий МС 7 выполняет роль противовеса, обеспечивающего широкополосную работу вибратора без "антенного эффекта" фидера. Причем вибратор может закрепляться на вершине металлической мачты без изолятора.

Внутренние параметры коаксиального вибратора могут быть рассчитаны с помощью эквивалентной схемы (см. фиг. 5), на которой вибратор представлен в виде четырехполюсника 12 с входами (б-в) и (б'-в') - соответствующими точкам его возбуждения в диэлектрических зазорах: непосредственно от коаксиального фидера (б-в) и через фазосдвигающий отрезок линии 13 длиной l₂ (б'-в'). В свою очередь структура четырехполюсника 12 состоит из трех четырехполюсников 14, 15, 16: собственно излучателя с матрицей сопротивления 14, включающей в себя сопротивление, обусловленное влиянием металлического экрана, и четырехполюсников 15, 16 с матрицами сопротивлений Z_xx, образованных отрезками линий длиной l_xx. Четырехполюсники 15, 16 выполняют роль трансформаторов сопротивлений. Кроме того, структура четырехполюсника 12 включает три двухполюсника 17, 18, 19 с реактивными сопротивлениями - 17 и - 18, 19. Двухполюсники 18 и 19, образованные отрезками линий l_кз, выполняют роль компенсаторов реактивностей и включены последовательно в цепь одного из входов четырехполюсников 15 и 16.

Двухполюсник 17, образованный к.з. лабиринтной линией длиной "m", включен последовательно в один из входов четырехполюсника 14 и выполняет роль развязывающего сопротивления , ослабляющего влияние металлического экрана на входные параметры вибратора.

Общее входное сопротивление вибратора в точках подключения коаксиального фидера (б-в) равно Z_А = 0,5(Z₁₁ - Z₁₂), где Z₁₁ - сопротивление четырехполюсника 12 в режиме холостого хода; Z₁₂ - взаимное сопротивление между входами (б-в) и (б'-в') этого же четырехполюсника. Значения Z₁₁ и Z₁₂ являются функциями многих параметров: волновых сопротивлений ρ_ц = 60 1n D₂/D₁; ρ_c = 60 1n D₃/D'₂; ρ_л = 60 1n D₄/D'₃; ρ_ф ; длин линий l₁, l₂, l₃, l₄, l_кз, l_xx, r, t и рабочей длины волны λ_p. Соотношения размеров элементов конструкции могут быть определены экспериментально или аналитически с использованием формул, характеризующих параметры Z₁₁, Z₁₂ четырехполюсника 12, которые можно получить по известным методикам. Ввиду громоздкости формулы для расчета Z₁₁, Z₁₂ не приводятся. Выбором соответствующих размеров элементов конструкции коаксиального вибратора обеспечивается широкополосная работа вибратора с приемлемым качеством согласования (коэффициентом стоячей волны - КСВ не более 3) при его установке непосредственно над металлическим экраном.

Правомерность теоретических предпосылок проверена на опытном образце заявленного коаксиального вибратора, предназначенного для работы на средней частоте 800 МГц (λ_ср = 0,375 м).

Результаты измерения качества согласования - КСВ приведены на фиг. 6. Измерения показали, что рабочий диапазон частот, при котором согласование на уровне КСВ ≅ 3, у заявленного вибратора обеспечивается более чем в трехкратном частотном диапазоне (в интервале 350 - 1100 МГц), что в 4 раза превышает частотный диапазон прототипа (на фиг. 6 показан пунктиром).

Экспериментально установлены следующие соотношения размеров элементов конструкции, при которых реализуется сформулированная техническая задача (при ρ_ф = 75 Ом): l₂ = (0,4 - 0,6) λ_ср; l₁/l₂ = 0,48 - 0,52; l₃/l₁ = 0,8 - 1,1; l_кз/l₃ = 0,7 - 1,0; l₄/l₃ = 0,9 - 1,1; l_кз/l₃ = 0,7 -1,0;
l₄/l₃ = 0,9 -1,1; r/l₄ = 0,05 - 0,2; t = Δ = (0,01 - 0,1)D'₂;
D₂/D₁ = 1,5 - 4; D₃/D'₂ = 1,2 - 2,5; D₄/D'₂ = 2,5 -3,6.

При работе на средней длине волны λ_ср = 0,375 м оптимальные размеры элементов устройств составили (в мм):
l₁ = 94; l₂ = 187; l₃ = 89; l₄ = 89; l_кз = 85; l_xx = 4; r = 10; t = Δ = 2;
D₁ = 16; D₂ = 44; D'₂ = 46; D₃ = 92; D'₃ = 94; D₄ = 138; m = 183.

Использование заявленного вибратора совместно с широкополосной бортовой радиостанцией на подвижном объекте обеспечит повышение энергетики радиолинии с неориентированным в азимутальной плоскости корреспондентом.

Формула изобретения

1. Коаксиальный вибратор, содержащий первый и второй металлические цилиндры, каждый длиной l₁, установленные соосно и одним из торцов кондуктивно связанные с металлическим стержнем, коаксиально размещенным в их внутренних полостях, и коаксиальный фидер, экранная оболочка которого подключена к металлическому стержню, отличающийся тем, что дополнительно введен третий металлический цилиндр длиной l₂, установленный с диэлектрическими зазорами между первым и вторым металлическими цилиндрами соосно с ними, причем с металлическим стержнем кондуктивно связаны кромки первого и второго металлических цилиндров, примыкающие к диэлектрическим зазорам, кроме того, дополнительно введены три металлических стакана, два из которых длиной l₃, а третий - длиной l₄, во внутренних полостях первого и второго металлических стаканов коаксиально установлены соответственно первый и второй металлические цилиндры, а во внутренней полости третьего металлического стакана установлены коаксиально первый металлический стакан и первый металлический цилиндр, основания первого и второго металлических стаканов подключены кондуктивно соответственно к первому и второму металлическим цилиндрам, а основание третьего металлического стакана - к металлическому стержню, первый и второй диэлектрические зазоры между металлическими цилиндрами расположены в пределах внутренних полостей соответственно первого и второго металлических стаканов, а основание первого металлического стакана, кондуктивно связанное с первым металлическим цилиндром, расположено в пределах внутренней полости третьего металлического стакана, причем коаксиальный фидер подключен у первого диэлектрического зазора экранной оболочкой и центральным проводником к кромкам соответственно первого и третьего металлических цилиндров.

2. Коаксиальный вибратор по п.1, отличающийся тем, что длина l₂ третьего металлического цилиндра выбрана в пределах (0,4-0,6)λ_ср, где λ_ср - средняя длина волны рабочего диапазона волн, длина l₁ первого и второго металлических цилиндров соотносится с длиной l₂ третьего металлического цилиндра как l₁ / l₂ = 0,48 - 0,52, длина l₃ первого и второго металлических стаканов соотносится с длиной l₁ первого и второго металлических цилиндров как l₃ / l₁ = 0,8 - 1,1, а длина l₄ третьего металлического стакана выбрана в пределах l₄ = (0,9 - 1,1)l₃, причем отношение расстояния l_кз от основания первого и второго металлических стаканов до середины соответствующего им диэлектрического зазора и длина l₃ металлического стакана выбрано в пределах l_кз / l₃ = 0,7 - 1,0, а отношение расстояния r между основаниями первого и третьего металлических стаканов и длины l₄ третьего металлического стакана выбрано в пределах r / l₄ = 0,05 - 0,2.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6