Вибраторная антенна

 

Изобретение относится к антенно-фидерным устройствам и может быть использовано как отдельная антенна, в антенных решетках, а также в антенных системах. Техническим результатом является увеличение КНД симметричного вибратора при сохранении его согласования с линией питания в рабочем диапазоне частот. Вибраторная антенна, плечи которой выполнены в виде соосно расположенных элементов, один из которых заземлен и является несущим, а внутри содержит коаксиальную линию питания, соединенную с верхним плечом антенны, отличающаяся тем, что коаксиальная линия питания имеет соединение с верхним плечом антенны на расстоянии L1 от его нижнего конца и на расстоянии L2 от ближайших соединений несущего элемента с внешними элементами верхнего и нижнего плеч антенны, а несущий элемент имеет соединения с внешним элементом нижнего плеча на расстоянии L3 от его верхнего конца и L2 от его нижнего конца, при этом длина каждого плеча равна половине длины волны _в на верхней частоте рабочего диапазона частот, L1=L3, a L2 равно ¹/₄ длины волны _ср на средней частоте рабочего диапазона частот. 4 ил.

Изобретение относится к антенно-фидерным устройствам и может быть использовано как отдельная антенна, в антенных решетках, а также в антенных системах.

Известные типы антенн [1], [2], [3], [4] представляют собой симметричные полуволновые вибраторы или состоят из симметричных полуволновых вибраторов. Симметричный полуволновый вибратор имеет определенные ограничения по характеристикам излучения. Он имеет небольшой коэффициент направленного действия (КНД), равный 1,64, а также сравнительно широкую по уровню половинной мощности диаграмму направленности (ДН) в продольной плоскости - не менее 78 градусов [3]. Следствием этого является ограниченная дальность радиосвязи. Данные ограничения определены длиной симметричного вибратора, равной половине длины волны на средней частоте рабочего диапазона частот.

Наиболее близким к предлагаемому решению является [1]. Данная антенна-прототип имеет небольшой КНД, что является основным недостатком прототипа [1].

Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является увеличение КНД симметричного вибратора, при сохранении его согласования с линией питания в рабочем диапазоне частот.

Указанный технический результат достигается тем, что в вибраторной антенне, плечи которой выполнены в виде соосно расположенных элементов, один из которых заземлен и является несущим, а внутри содержит коаксиальную линию питания, соединенную с верхним плечом антенны, коаксиальная линия питания имеет соединение с верхним плечом антенны на расстоянии L1 от его нижнего конца и на расстоянии L2 от ближайших соединений несущего элемента с внешними элементами верхнего и нижнего плеч антенны, а несущий элемент имеет соединения с внешним элементом нижнего плеча на расстоянии L3 от его верхнего конца и L2 от его нижнего конца, при этом длина каждого плеча равна половине длины волны _в на верхней частоте рабочего диапазона частот, L1=L3, a L2 равно 1/4 длины волны _ср на средней частоте рабочего диапазона частот.

На фиг. 1 показано устройство предлагаемой антенны, в состав которой входят: внешний элемент верхнего плеча 1, внешний элемент нижнего плеча 2, несущий элемент 3, коаксиальная линия питания 4. На фиг. 2 показаны примеры реализации различных вариантов предлагаемой антенны, отличающиеся шириной рабочего диапазона частот: а) - узкополосная антенна, б) и в) - широкополосные. На фиг. 3 представлена экспериментально полученная диаграмма направленности на верхней частоте рабочего диапазона предлагаемой антенны, реализованной в соответствии с фиг. 26; на фиг. 4 - коэффициент стоячей волны.

Антенна работает следующим образом.

Высокочастотный (ВЧ) сигнал поступает по коаксиальной линии питания, расположенной внутри несущего элемента, во внутреннее пространство антенны. Внутреннее пространство антенны представляет собой короткозамкнутый с обеих сторон отрезок коаксиальной линии. Этот отрезок образован несущим элементом, являющимся его внутренним проводником и внешними элементами верхнего и нижнего плеч антенны, являющимися его внешним проводником. На концах отрезка внешний и внутренний проводники замкнуты. Отрезок коаксиальной линии имеет длину, равную половине длины волны на средней частоте рабочего диапазона частот _ср. Посередине него подключена коаксиальная линия питания, делящая отрезок на две равные части: верхнюю и нижнюю. Внешний проводник отрезка коаксиальной линии разомкнут посередине нижней части. Через образовавшуюся таким образом щель, разделяющую верхнее и нижнее плечи антенны, осуществляется связь внутреннего пространства антенны со свободным пространством. ВЧ сигнал, поступающий по коаксиальной линии питания, возбуждает отрезок коаксиальной линии. По его внешнему и внутреннему проводникам текут ВЧ токи и через разрыв внешнего проводника вытекают на внешнюю поверхность антенны, возбуждая ее. Таким образом, происходит работа антенны на передачу. При работе на прием все происходит в обратном порядке.

В предлагаемой антенне также как и в прототипе [1], внутренний короткозамкнутый отрезок коаксиальной линии компенсирует реактивную составляющую входного сопротивления антенны при расстройке частоты. Основное отличие в том, что у прототипа длина отрезка равна четверти длины волны на средней частоте рабочего диапазона частот, в то время как у предлагаемой антенны отрезок имеет длину, равную половине длины волны на средней частоте рабочего диапазона частот. Отличие также в том, что у прототипа внутренний отрезок коаксиальной линии имеет короткое замыкание с одной стороны, а с другой стороны разомкнут; в то время как у предлагаемой антенны внутренний отрезок коаксиальной линии имеет короткое замыкание с обеих сторон.

Таким образом, внутренний полуволновый отрезок коаксиальной линии, а также выбор размеров L1 и L3 или величины зазора между плечами антенны, позволяют согласовать симметричный вибратор, длина которого в рабочем диапазоне частот равна длине волны или близка к ней, при сохранении его согласования с линией питания во всем рабочем диапазоне частот.

Известно [2], что широкополосные антенны имеют сравнительно большой диаметр, а их электрическая длина может значительно превышать физическую длину. Когда электрическая длина L такой антенны превышает величину L=1,25 _в, то может произойти "развал" ДН. Чтобы этого не произошло, длина предлагаемой антенны ограничена величиной _в.

Предлагаемая антенна была реализована для диапазонов 118-138 МГц, 220-400 МГц, 450-900 МГц и 950-1220 МГц. Все реализации имели хорошее согласование с уровнем коэффициента стоячей волны (КСВ) меньше 2.

Предлагаемая антенна почти в два раза длиннее прототипа. Поэтому ее КНД больше, чем у антенны-прототипа и достигает величины КНД=2,4 [3]. ДН предлагаемой антенны в продольной плоскости также уже, чем у прототипа. Ее ширина по уровню половинной мощности достигает 47 градусов.

Таким образом, предлагаемая антенна, являющаяся простым симметричным вибратором, но имеющая увеличенный коэффициент направленного действия, может быть использована там, где требуется увеличение дальности радиосвязи, или повышение ее надежности. Ее можно использовать как одиночную антенну, а также в антенных системах. Ее также можно использовать в антенных решетках. При этом количество элементов в решетке снижается вдвое, а надежность увеличивается. Предлагаемая антенна может найти широкое применение.

Источники информации

1. М.В.Вершков, О.Б.Родионов. Судовые антенны. - Л.: Судостроение, 1990, с.191 -194. (Прототип).

2. В.М.Родионов. Линии передачи и антенны УКВ. - М.: Энергия, 1977, с.62-64.

3. X.Мейнке и Ф.В.Гундлах. Радиотехнический справочник. Т. 1. - М.-Л., 1960, с.276.

4. В.П.Чернышева. Антенно-фидерные устройства радиосвязи и радиовещания. - М.: Связь, 1978, с.118-119.

Формула изобретения

Вибраторная антенна, плечи которой выполнены в виде сооснорасположенных элементов, один из которых заземлен и является несущим, а внутри содержит коаксиальную линию питания, соединенную с верхним плечом антенны, отличающаяся тем, что коаксиальная линия питания имеет соединение с верхним плечом антенны на расстоянии L1 от его нижнего конца и на расстоянии L2 от ближайших соединений несущего элемента с внешними элементами верхнего и нижнего плеч антенны, а несущий элемент имеет соединения с внешним элементом нижнего плеча на расстоянии L3 от его верхнего конца и L2 от его нижнего конца, при этом длина каждого плеча равна половине длины волны Λв на верхней частоте рабочего диапазона частот, L1=L3, a L2 равно 1/4 длины волны Λср на средней частоте рабочего диапазона частот.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4