Турникетная антенна

 

Изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано в качестве антенны с круговой поляризацией излучения в метровом и дециметровом диапазонах длин волн. Технический результат заключается в уменьшении габаритов. Сущность изобретения заключается в наличии симметрирующих устройств, состоящих из трубок, которые закреплены на плоском экране и образуют двухпроводный короткозамкнутый шлейф, длина которого изменяется с помощью короткозамыкателя, выполненного в виде диска с отверстиями для трубок симметрирующего устройства. Верхняя часть коаксиальной линии первой трубки выполнена в виде односекционного четвертьволнового согласующего трансформатора, верхний конец центрального проводника которого соединен с центральным проводником, проложенным во второй трубке и образующим с ней разомкнутый коаксиальный шлейф. Коаксиальные соединители соединены с выходными плечами коаксиального тройника, расположенного с противоположной стороны плоского экрана. Определена разница длин выходных плеч коаксиального тройника. 3 ил.

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве антенны с круговой поляризацией излучения в метровом и дециметровом диапазонах длин волн.

Известна турникетная антенна [1], состоящая из двух взаимно перпендикулярных полуволновых симметричных вибраторов, возбуждаемых токами равной амплитуды со сдвигом фазы на 90° , установленных над металлическим экраном и наклоненных к нему под углом 50° . Плечи полуволнового вибратора с помощью симметрирующего устройства и коаксиального кабеля подключены к входу антенны через фазирующее устройство в виде 3-децибельного гибридного устройства, обеспечивающего питание симметричных полуволновых вибраторов с 90-градусным сдвигом фаз. Высота точек питания симметричного полуволнового вибратора над экраном составляет 0,35-0,45 средней длины волны рабочего диапазона.

Такая турникетная антенна работает следующим образом. Высокочастотное напряжение от генератора поступает на вход 3-децибельного гибридного устройства, проходя через которое делится пополам со сдвигом фазы на 90° . Токи в двух взаимно перпендикулярных полуволновых симметричных вибраторах равны по величине и сдвинуты по фазе на 90° . При таком возбуждении антенна излучает электромагнитное поле с круговой поляризацией в осевом направлении.

Недостатком аналога являются большие продольные размеры и согласование в узкой полосе рабочих частот.

Хорошее согласование в широкой полосе частот имеет известная турникетная антенна [2, стр.129, рис. 4.28], содержащая два взаимно перпендикулярных симметричных вибратора, питаемых токами равной амплитуды со сдвигом фаз на 90° , установленных над плоским экраном на высоте h≈ λ ₀/4, где λ ₀ - средняя длина волны рабочего диапазона, и закрепленных соответственно на симметрирующих устройствах, состоящих из двух трубок, расположенных в экране. Полная электрическая длина короткой трубки составляет 185° на средней длине волны рабочего диапазона. Центральный проводник, проложенный в трубке, образует с ней коаксиальную линию, которая представляет собой двухступенчатый согласующий трансформатор. Электрическая длина второй трубки симметрирующего устройства второго симметричного вибратора длиннее короткой трубки на 90° и составляет 275° .

Турникетная антенна работает следующим образом. Высокочастотный ток от генератора поступает на вход антенны, делится пополам и по коаксиальным линиям симметрирующих устройств поступает на входы двух симметричных вибраторов со сдвигом фаз на 90° . Согласование входного сопротивления симметричных вибраторов с входом антенны осуществляется с помощью двухступенчатого трансформатора. При таком возбуждении антенна излучает электромагнитное поле с круговой поляризацией в осевом направлении.

Известная турникетная антенна является наиболее близкой по конструкции к предлагаемой антенне и принята заявителем в качестве прототипа.

Такая турникетная антенна имеет хорошее согласование в широкой полосе рабочих частот. Недостатком ее являются большие продольные габариты.

Техническим результатом заявляемого решения является турникетная антенна с уменьшенными продольными габаритами и хорошим согласованием в широкой полосе рабочих частот.

Этот технический результат достигается тем, что в турникетной антенне, содержащей два взаимно перпендикулярных полуволновых вибратора, возбуждаемых токами равной амплитуды со сдвигом фаз на 90°, установленных над плоским экраном с наклоном к нему и закрепленных соответственно на симметрирующих устройствах, состоящих из двух трубок, верхние концы которых соединены с плечами полуволновых вибраторов, при этом трубки расположены в экране, в одной трубке симметрирующего устройства проложен центральный проводник, образующий с ней коаксиальную линию, новым является то, что трубки симметрирующего устройства закреплены на плоском экране и образуют двухпроводный короткозамкнутый шлейф, длина которого изменяется с помощью короткозамыкателя, выполненного в виде диска с отверстиями для трубок симметрирующего устройства с возможностью перемещения вдоль них с помощью диэлектрического винта, закрепленного в центре диска, в боковых пазах которого расположены проводники круглого сечения для обеспечения электрического контакта между трубками и диском, верхняя часть коаксиальной линии одной трубки симметрирующего устройства выполнена в виде односекционного четвертьволнового согласующего трансформатора, нижний конец центрального проводника коаксиальной линии соединен с центральным проводником высокочастотного коаксиального соединителя, расположенного с противоположной стороны плоского экрана, верхний конец центрального проводника четвертьволнового согласующего трансформатора соединен с центральным проводником, проложенным во второй трубке симметрирующего устройства и образующим с ней разомкнутый коаксиальный шлейф, высокочастотные коаксиальные соединители соединены соответственно с выходными плечами коаксиального тройника, расположенного с противоположной стороны плоского экрана, а разница длин выходных плеч коаксиального проводника выбрана равной l₁-l₂=(2n-1)λ _т/4, где n=1, 2, 3, λ _т - средняя длина волны в плечах коаксиального тройника, l₁ - длина выходного плеча коаксиального тройника, соединенного с первым высокочастотным коаксиальным соединителем, l₂ - длина выходного плеча коаксиального тройника, соединенного со вторым высокочастотным коаксиальным соединителем.

Совокупность существенных признаков предлагаемого технического решения позволяет создать турникетную антенну с уменьшенными более чем в 1,5 раза габаритами.

На фиг.1 приведен эскиз конструкции предлагаемой турникетной антенны (разрез в плоскости одного полуволнового вибратора). На фиг.2 приведен общий вид турникетной антенны, на фиг 3 приведен ее вид под экраном.

Турникетная антенна фиг.1 содержит два взаимно перпендикулярных симметричных вибратора 1, установленных над плоским экраном 2 с наклоном к нему и закрепленных соответственно на симметрирующих устройствах, состоящих из двух трубок 3 и 4, верхние концы которых соединены с плечами симметричных вибраторов. Трубки расположены в экране 5. В трубке 3 проложен центральный проводник 6, образующий с этой трубкой коаксиальную линию 7. Трубки 3 и 4 симметрирующего устройства закреплены на плоском экране и образуют двухпроводный короткозамкнутый шлейф, длина которого изменяется с помощью короткозамыкателя 9, выполненного в виде диска с отверстиями для трубок симметрирующего устройства с возможностью перемещения вдоль них с помощью диэлектрического винта 10, закрепленного в центре диска. В боковых пазах диска расположены проводники 11 круглого сечения для обеспечения электрического контакта между трубками и диском. Верхняя часть коаксиальной линии трубки 3 симметрирующего устройства выполнена в виде односекционного четвертьволнового согласующего трансформатора. Нижний конец центрального проводника коаксиальной линии 7 соединен с центральным проводником высокочастотного коаксиального соединителя 12 (коаксиального входа), расположенного с противоположной стороны плоского экрана 2. Верхний конец центрального проводника четвертьволнового согласующего трансформатора соединен с центральным проводником 8, проложенным в трубке 4 симметрирующего устройства и образующим с ней разомкнутый коаксиальный шлейф 14. Коаксиальные высокочастотные соединители 12 и 13 соединены соответственно с выходными плечами 15 и 16 коаксиального тройника 17, расположенного с противоположной стороны плоского экрана 2. Разница длин выходных плеч 15 и 16 коаксиального тройника выбрана равной ₁-l₂=(2n-1)λ _т/4, где n=1, 2, 3,... , λ _т - средняя длина волны в плечах коаксиального тройника, l₁ - длина выходного плеча коаксиального тройника, соединенного с первым высокочастотным коаксиальным соединителем, l₂ - длина выходного плеча коаксиального тройника, соединенного со вторым высокочастотным коаксиальным соединителем.

Турникетная антенна (фиг.1, 2, 3) работает следующим образом. Высокочастотный ток от генератора поступает на вход 18 тройника 17, делится пополам и разветвляется в двух направлениях к коаксиальным соединителям 12 и 13 и через симметрирующие устройства поступает на вход взаимно перпендикулярных вибраторов. Амплитуды токов в обоих излучателях равны, а вследствие того, что разница длин выходных плеч коаксиального тройника равна l₁-l₂=(2n-1)λ _т/4, сдвиг фаз токов в излучателях составляет 90° . Векторы электромагнитного поля E₁ и Е₂ симметричных вибраторов расположены пространственно ортогонально и сдвинуты по фазе на 90° . При этом излученное поле будет представлять собой поле круговой поляризации в направлении оси турникетной антенны.

Согласование входного сопротивления турникетной антенны производится с помощью односекционного четвертьволнового согласующего трансформатора, разомкнутого коаксиального шлейфа и двухпроводного короткозамкнутого шлейфа.

Диаметр центрального проводника d_тр четвертьволнового согласующего трансформатора выбирается так, чтобы его волновое сопротивление Z_тр было равно:

где R_A - активная составляющая входного сопротивления турникетной антенны; Z_0Bx - волновое сопротивление коаксиального входа.

Из формулы 1.1 следует

Рассогласование, создаваемое четвертьволновым согласующим трансформатором и короткозамкнутым шлейфом при работе на длинах волн, не равных λ ₀, компенсируется разомкнутым коаксиальным шлейфом.

На центральной длине волны λ ₀ входное сопротивление короткозамкнутого шлейфа Z_вхшл1=∞ и не влияет на входное сопротивление симметричной нагрузки. При отклонении длины волны λ от центральной длины волны λ ₀, входное сопротивление короткозамкнутого шлейфа реактивно и равно:

Z_вхшл1=jZ_0шл1tgβ 1_шл1,

где Z_0шл1 - волновое сопротивление короткозамкнутого шлейфа;

l_шл1 - длина короткозамкнутого шлейфа;

β - фазовая постоянная распространения волны в короткозамкнутом шлейфе.

Изменение входного сопротивления короткозамкнутого шлейфа производится изменением длины l_шл1 с помощью диэлектрического винта.

Входное сопротивление разомкнутого шлейфа также реактивно и равно:

Z_вхшл2=-jZ_0шл2ctgβ l_шл2,

где Z_0шл2 - волновое сопротивление разомкнутого шлейфа;

l_шл2 - длина разомкнутого шлейфа;

β - фазовая постоянная распространения волны в разомкнутом шлейфе.

Сопротивления Z_вхшл1 и Z_вхшл2 подключены параллельно, их реактивности противоположны по знаку и компенсируют друг друга в широкой полосе частот. За счет этого суммарные реактивности, подключенные параллельно входу антенны, уменьшаются и происходит согласование в широкой полосе частот.

В целях подтверждения осуществимости заявляемого технического решения изготовлен макет турникетной антенны со следующими параметрами:

- рабочая частота f₀=1 ГГц;

- центральная длина волны λ ₀=30 см;

- длина плеч вибраторов L=65 мм;

- высота вибраторов над плоским экраном h=75 мм;

- волновое сопротивление коаксиальных входов 50 Ом;

- волновое сопротивление четвертьволнового трансформатора Z_ТР=60,5 Ом;

- волновое сопротивление разомкнутого шлейфа Z_0шл2=60,5 Ом;

- КСВ_н в полосе частот f₀± 100 МГц меньше 2, в полосе f₀± 150 МГц меньше 4;

- КСВ_н прототипа в полосе частот f₀± 250 МГц меньше 2,4.

Проведенный анализ показывает, что предлагаемая турникетная антенна отвечает критериям патентоспособности и может быть использована в качестве антенны с круговой поляризацией излучения в метровом и дециметровом диапазонах.

Источники информации

1. В.А. Ефимов, В.А. Кундышев и др. Турникетная антенна. А.с. №1467632, 04.05.87, класс H 01 Q 21/26, Бюл. №11, 1989 г.

2. Техника сверхвысоких частот, под редакцией Я.И.Фельда, М.: Сов. радио, 1952.

Формула изобретения

Турникетная антенна, содержащая два полуволновых симметричных вибратора, возбуждаемых токами равной величины со сдвигом фазы на 90°, закрепленных на соответствующих симметрирующих устройствах, каждое из которых состоит из двух трубок, верхние концы которых соединены с плечами полуволновых симметричных вибраторов, а трубки расположены в экране, в одной трубке симметрирующего устройства проложен центральный проводник, образующий с ней коаксиальную линию, отличающаяся тем, что трубки каждого симметрирующего устройства закреплены на плоском экране и образуют двухпроводный короткозамкнутый шлейф, длина которого изменяется с помощью короткозамыкателя, выполненного в виде диска с отверстиями для трубок симметрирующего устройства с возможностью перемещения вдоль них с помощью диэлектрического винта, закрепленного в центре диска, в боковых пазах которого расположены проводники круглого сечения для обеспечения электрического контакта между трубками и диском, верхняя часть коаксиальной линии одной трубки симметрирующего устройства выполнена в виде односекционного четвертьволнового согласующего трансформатора, нижний конец центрального проводника коаксиальной линии соединен с центральным проводником высокочастотного коаксиального соединителя, расположенного с противоположной стороны плоского экрана, верхний конец центрального проводника четвертьволнового согласующего трансформатора соединен с центральным проводником, проложенным во второй трубке симметрирующего устройства и образующим с ней разомкнутый коаксиальный шлейф, высокочастотные коаксиальные соединители соединены соответственно с выходными плечами коаксиального тройника, расположенного с противоположной стороны плоского экрана, а разница длин выходных плеч коаксиального проводника выбрана равной l₁-l₂=(2n-1)λ_т/4, где n=1, 2, 3, λ_т - средняя длина волны в плечах коаксиального тройника, l₁ - длина выходного плеча коаксиального тройника, соединенного с первым высокочастотным коаксиальным соединителем, l₂ - длина выходного плеча коаксиального тройника, соединенного со вторым высокочастотным коаксиальным соединителем.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3