Широкополосная антенна ультракоротковолнового диапазона

Широкополосная антенна ультракоротковолнового диапазона

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антенной технике, и, в частности, широкополосная антенна (ШПА) ультракоротковолнового (УКВ) диапазона предназначена для использования совместно с диапазонными УКВ радиостанциями.

Известна ШПА по патенту Франции №2446090, опубл. 25.04.1975 г. Антенна аналог состоит из биконического вибратора. К основанию каждого из конусов подключены логоспиральные проводники. Коаксиальный фидер подключен центральным проводником к вершине одного из конусов, а экранной оболочкой к вершине другого конуса.

Недостатком аналога является относительно узкий диапазон рабочих частот.

Известна также ШПА по патенту РФ №2207673, опубл. 27.06.2003 г. Антенна состоит из полого металлического конуса (ПМК) и расположенного над его вершиной параллельно плоскости основания проводника в форме однозаходной плоской спирали и коаксиального фидера, подключенного к ПМК.

Недостатком данного аналога является относительно узкий диапазон рабочих частот.

Наиболее близким аналогом (прототипом) по технической сущности к заявленной ШПА является ненаправленная ШПА по патенту РФ №2535178 от 10.12.2014 г.

Антенна-прототип состоит из полого металлического конуса (ПМК) высотой Н и с углом при вершине α. ПМК установлен вертикально над проводящей поверхностью (ПП) и обращен к ней вершиной. В полости ПМК установлен спиральный проводник (СП) в виде конической спирали высотой Н_С и с углом β при вершине. Вершина конической спирали подключена к внутренней поверхности ПМК у его вершины. Коаксиальный фидер подключен центральным проводником к вершине ПМК, а экранной оболочкой к ПП.

Недостатками прототипа являются:

относительно малый рабочий диапазон частот по согласованию, характеризуемый величиной коэффициента бегущей волны (КБВ).

Целью изобретения является разработка широкополосной антенны УКВ диапазона, обеспечивающей расширение диапазона рабочих частот в низкочастотную область.

Указанный технический результат достигается тем, что в известной ШПА УКВ диапазона, содержащей ПМК высотой Н и с углом при вершине α, установленный вертикально над ПП и обращенный к ней вершиной, спиральный проводник (СП), установленный в полости ПМК, и коаксиальный фидер, подключенный центральным проводником к вершине ПМК, а экранной оболочкой к ПП, ПМК разделен диэлектическим зазором (ДЗ) Δ на нижнюю высотой h_H и верхнюю высотой h_B части. СП выполнен с возможностью коммутации числа его витков и подключен одним концом к примыкающей к ДЗ кромке нижней части ПМК. N≥2 витков СП снабжены выводами, которые подключены к соответствующим N входам коммутатора витков СП. Высокочастотный (в.ч.) выход коммутатора подключен к примыкающей к ДЗ кромке нижней части ПМК. N - разрядный управляющий вход коммутатора подключен к управляющему выходу радиостанции.

Высота Н ПМК выбрана из условия Н≥0,2λ_max, где λ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона волн антенны. Соотношение высот h_H и h_B выбрано в пределах h_H/h_B=0,4-0,55, а угол α выбран в интервале α=80°-100°. СП установлен в полости верхней части ПМК.

Благодаря новой совокупности существенных признаков при работе антенны в диапазоне частот путем коммутации числа витков СП, подключенных к ДЗ, обеспечивается изменение электрической высоты конического излучателя, что позволяет повышать качество согласования и, следовательно, обеспечивает расширение диапазона рабочих частот в низкочастотную область.

Заявленная антенна поясняется чертежами, на которых показаны:

на фиг. 1 - общий вид антенны;

на фиг. 2 - электрическая схема коммутатора;

на фиг. 3 - рисунок, поясняющий работу антенны;

на фиг. 4 - эквивалентная схема антенны;

на фиг. 5 - результаты сравнительных измерений;

качества согласования – КБВ.

Заявленная ШПА УКВ диапазона, показанная на фиг. 1, состоит из ПМК 1 высотой Н и с углом α при вершине. ПМК 1 установлен вертикально над ПП 2 и обращен к ней вершиной. С помощью диэлектрического зазора 3, выполненного, например, в виде диэлектрической вставки толщиной Δ, ПМК 1 электрически разделен на две части: нижнюю 4 высотой h_H и верхнюю 5 высотой h_B. В полости верхней части 5 ПМК 1 установлен СП 6 в виде многовитковой катушки индуктивности. В общем случае СП 6 может быть установлен и в полости нижней части ПМК 1. Выбор места установки СП 6 определяется из конструктивных соображений. N≥2 витков СП 6 снабжены выводами 6₁-6_N, которые подключены к соответствующим N входам коммутатора 7 СП 6 (на фиг. 1 показано пять выводов, т.е. N=5). Выводами 6₁-6_N могут быть снабжены все витки или некоторые из них. Выбор числа N витков, снабженных выводами 6₁-6_N, определяют, исходя из условия сохранения требуемого качества согласования в рабочем диапазоне частот.

В.ч. выход 7.1 коммутатора 7 подключен (точка «к») к примыкающей к ДЗ 3 кромке верхней части 5 ПМК 1. N-разрядный управляющий вход 7.2, коммутатора 7 с помощью N-разрядной шины 8 через отверстие 9 в ПМК 1 подключен к управляющему выходу радиостанции (на фиг. 1, 2 не показана).

Вход 6.6 СП 6 через отверстие 10 в ДЗ 3 подключен к примыкающей к ДЗ 3 кромке нижней части 4 ПМК 1 (точка «а»).

Коммутатор 7 предназначен для подключения (отключения) соответствующего числа витков СП 6, в цепь в.ч. тока ПМК 1 в зависимости от поддиапазона рабочих частот, в пределах которого работает радиостанция. Электрическая схема коммутатора может быть реализована различным образом, в частности, как показано на фиг. 2. Коммутатор 7 состоит из N автоматических переключателей 7.3₁-7.3_N (на фиг. 2 N=5), с помощью которых изменяют номинал индуктивности СП 6, включаемого в в.ч. цепь ПМК 6. Управляющий сигнал на подключение (отключение) соответствующего контакта 7.4 автоматического переключателя 7.3 поступает по N-разрядному кабелю 8 на исполнительный элемент 7.5 от управляющего выхода радиостанции (на фиг. 1, 2 не показана).

Коаксиальный фидер 11 подключен центральным проводником к вершине ПМК 1 (точка «в»), а экранной оболочкой к ПП 2 (точки «с»).

Заявленная антенна работает следующим образом.

При включении радиостанции в сечении точек «с-в» подключения коаксиального фидера 11 (см. фиг. 2) возбуждается ЭДС. В зависимости от выбранного поддиапазона рабочих частот по N-разрядной шине 8 поступает управляющий сигнал на подключение соответствующей группы витков СП 6. На фиг. 2 показано, в частности, что замкнут контакт 7.4 автоматического переключателя 7.3₃. Это означает, что в цепь в.ч. тока включено индуктивное сопротивление X_L части СП 6 от точки «а» до точки подключения вывода 7.2 (см. также фиг. 4).

Под действием возбуждающей ЭДС в.ч. ток проводимости I_пр протекает от точки «в» по образующей внешней поверхности нижней части 4 ПМК 1, затем по ее верхней кромке до точки «в» подключения вывода 6.6 СП 6 (см. фиг. 3 и фиг. 1). Затем в.ч. ток протекает по проводникам подключенных витков и через замкнутый контакт к точке «к» подключения СП 6 к кромке верхней части 5 ПМК 1. Далее в.ч. ток проводимости протекает по образующей внешней поверхности верхней части 5 ПМК 1 и от ее верхней кромки замыкается токами смещения I см на ПП 2, протекает по ней токами проводимости к точкам «с-с» подключения экранной оболочки коаксиального фидера 11 (см. фиг. 3).

Таким образом, эквивалентная схема антенны, показанная на фиг. 4, состоит из последовательно включенных: комплексного сопротивления Z_H нижней части 4 ПМК 1, реактивного сопротивления индуктивного характера подключенных витков СП 6 и комплексного сопротивления Z_B верхней части 5 СП 6. Коммутируя число витков, включенных в цепь в.ч. тока можно изменять величины X_L и, следовательно, оказывается возможным в широком диапазоне рабочих частот антенны сдвигать рабочий диапазон по согласованию в низкочастотную область; сохраняя тем самым требуемый уровень КБВ, который для УКВ радиостанций принимают на уровне КБВ≥0,4.

Соотношения элементов конструкции ШПА УКВ диапазона, при которых достигается указанный технический результат, были определены экспериментально и составили:

h_H/h_B=0,4-0,55; Н≥0,2 λ_max; α=80°-100°; число витков N СП 6 выбирают исходя из возможности достижения величины индуктивного сопротивления X_L, обеспечивающего эквивалентное увеличение электрической высоты ПМК, при которой сохраняется величина КБВ≥0,4. В заявленной антенне общая длина провода СП 6 составляет (2,5-4) Н.

Оптимальными конструктивными параметрами являются средние значения указанных выше интервалов этих параметров.

Экспериментальная проверка возможности достижения указанного технического результата была выполнена путем сравнительных измерений качества согласования (КБВ) заявленной ШПА при следующих условиях:

Для заявленной ШПА: λ_max=2 м; волновое сопротивление фидера ρ_ф=50 Ом; Н=0,4 м; h_H=0,2 м; h_B=0,2 м; длина провода витков составила 2,5 м; число витков N=8, диаметр провода - 2 мм; α=80°; диэлектрическая вставка из стеклотекстолита Δ=5 мм.

Для прототипа: λ_max=2 м; ρ_ф=50 Ом; Н-0,4 м; α=80°; длина провода витков составила 1,5 м; диаметр провода 2 мм.

Результаты измерений, приведенные на фиг. 5, дают основание для следующих выводов. При равных физических высотах заявленной ШПА и прототипа у заявленной антенны уровень КБВ≥4 обеспечивается, начиная с электрического размера Н/λ=0,12 у прототипа с Н/λ=0,19. Расширение рабочего диапазона антенны по согласованию в область более низких частот обеспечивается за счет трехкратного изменения числа витков СП 6 и, следовательно, значений реактивных сопротивлений включенных в цепь в.ч. токов, без увеличения физической высоты Н ПМК.

Полученные результаты сравнительных измерений подтверждают возможность достижения указанного технического результата при использовании заявленной ШПА.

1. Широкополосная антенна (ШЛА) ультракоротковолнового (УКВ) диапазона, содержащая полый металлический конус (ПМК) высотой Н и с углом при вершине α, установленный вертикально над проводящей поверхностью (ПП) и обращенный к ней вершиной, спиральный проводник (СП), установленный в полости ПМК, и коаксиальный фидер, подключенный центральным проводником к вершине ПМК, а экранной оболочкой к ПП отличающаяся тем, что ПМК разделен диалектическим зазором (ДЗ) Δ на две части: нижнюю высотой h_H и верхнюю высотой h_B, СП выполнен с возможностью коммутации числа его витков и подключен одним концом к примыкающей к ДЗ кромке нижней части ПМК, N≥2 витков СП снабжены выводами, которые подключены к соответствующим N входам коммутатора витков СП, высокочастотный выход которого подключен к примыкающей к ДЗ кромке нижней части ПМК, а N-разрядный управляющий вход коммутатора подключен к управляющему выходу радиостанции.

2. УКВ антенна по п. 1, отличающаяся тем, что высота Н ПМК выбрана из условия Н≥0,2λ_max, где λ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона волн антенны.

3. УКВ антенна по п. 1, отличающаяся тем, что соотношение высот h_H и h_B выбрано в пределах h_H/h_B=0,4-0,55, а угол α выбран в интервале α=80°-100°.