Биконическая антенна

Полезная модель относится к области антенной техники и предназначена для использования в радиотехнических системах различного назначения, в том числе в судовых системах радиосвязи.
Известны плоские электрические треугольные вибраторы с двумя прямыми шунтируюшими проводниками, с некоторыми принципами щелевых и самодополнительных антенн, с вырожденными плоскими пластинами в конусы, при увеличении числа шунтов до трех и заменой прямых шунтирующих проводников, изогнутыми по окружности шунтами (Айзенберг Г.З. и др. Антенны УКВ. Под ред. Г.З. Айзенберга. В 2-х ч. Ч. 1. М., «Связь», 1977 г., с. 187, рис. 13.38). Согласование известных антенн с преимущественно высокоомным волновым сопротивлением коаксиального кабеля осуществляется в узком диапазоне частот за счет изменения угла раствора конусов на 10-15% от π/2. Недостатком известной антенны является подключение к ней питания коаксиальными кабелями с волновым сопротивлением 150-100 Ом и сравнительно широкая диаграмма направленности антенны в вертикальной плоскости.
Наиболее близкой, к предлагаемому техническому решения, является известная биконическая антенна (Пат. РФ №2168248, опубл. 27.05.2001). Антенна содержит N шунтов, выполненных в виде отрезков проводника, соединяющих кромки оснований конусов, при этом отрезки проводника выполнены виде двух равных частей, смещенных одна относительно другой на угол α=360°/2N, расположенных с равным угловым смещением вокруг оси конусов и соединенных одна с другой посредством проводящих перемычек, размещенных в плоскости, проходящей через вершину конусов, перпендикулярно их оси. Над основаниями конусов установлены отражатели, поверхности которых образованы вращением вокруг оси конусов образующей, изменяющейся по закону Y=±(1,89ехр0,052Х)+Н, при 0=X=(1,5)λmax, где Н - высота конуса, λmax - максимальная длина волны рабочего диапазона длин волн, а ось Y совпадает с осью конусов.
Недостатками известной антенны является слабая жесткость конструкции для эксплуатации на подвижных средствах, в том числе в качестве судовых антенн, требующая усиления проводящих перемычек, размещенных в плоскости, проходящей через вершину конусов перпендикулярно их оси с механической нагрузкой на их средины. А так же относительно узкая ширина полосы рабочих частот и высокое входное сопротивление, большое количество изоляторов для крепления экранов и в комбинации усложненные технология изготовления и эксплуатация.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении эксплуатационно-технических характеристик за счет увеличения конструктивной надежности, упрощения согласования и расширения диапазона рабочих частот с упрощением технологии изготовления.
Для достижения технического результата в биконической антенне, содержащей N шунтов, выполненных в виде отрезков проводника, соединяющих кромки оснований конусов, при этом отрезки проводника выполнены виде двух равных частей, смещенных одна относительно другой на угол α=360°/2N, расположенных с равным угловым смещением вокруг оси конусов и соединенных одна с другой посредством проводящих перемычек, установленные над основаниями конусов отражатели, поверхность которых образована вращением вокруг оси конусов образующей, изменяющейся по закону Y=±(1,89ехр0,052X)+Н, при 0=X=(1,5)λmax, где Н - высота конуса, λmax - максимальная длина волны рабочего диапазона длин волн, ось Y совпадает с осью конусов, а начало координат совпадает с геометрическим центром антенны, угол раствора конусов равен π/3, отрезки проводников шунтов имеют длину, равную 2L/3, где L - длина образующей конусов, проводящая перемычка выполнена из проводников, образующих правильный шестиугольник, при этом вершины шестиугольника проводящей перемычки продолжением проводников шунтов соединены с кромками отражателей, точки соединения проводников шунтов с кромкой конусов соединены соединительными проводниками с центром отражателей.
Отличительными признаками предлагаемой биконической антенны от указанной выше известной, наиболее близкой к ней, являются следующие:
- угол раствора конусов равен π/3,
- отрезки проводников шунтов имеют длину, равную 2L/3, где L - длина образующей конусов,
- проводящая перемычка выполнена из проводников, образующих правильный шестиугольник, при этом вершины шестиугольника проводящей перемычки продолжением проводников шунтов соединены с кромками отражателей,
- точки соединения проводников шунтов с кромкой конусов соединены соединительными проводниками с центром отражателей.
Благодаря наличию этих признаков при работе антенны обеспечивается оптимальное согласование с коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 75 Ом, работа антенны в дециметровом и метровом диапазоне радиоволн, а также механическая надежность конструкции антенны, кроме того, антенна технологична в изготовлении, как из-за отсутствия изоляторов для крепления ее составных элементов, так и возможности создания скелетной ажурной конструкции с применением одного сортамента металлических проволок.
Промышленная применимость заявленного технического решения усматривается в малой материалоемкости, сравнительной простоте изготовления, тиражирования и эксплуатации, в возможности использования в качестве судового средства связи на промышленной основе и конкурентоспособном уровне.
Предлагаемая биконическая антенна иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-4.
На фиг. 1 схематично представлен общий вид биконической антенны, на фиг. 2 - диаграммы направленности в горизонтальной и вертикальной плоскости, на фиг. 3 - график изменения коэффициентов усиления и защитного действия в исследуемом диапазоне, на фиг. 4 - график изменения коэффициента стоячих волн в исследуемом диапазоне.
Биконическая антенна (фиг. 1) содержит расположенный на общей оси 1 вибратор в виде двух конусов 2, соединенных вершинами, три шунта 3 (N=3), выполненные в виде отрезков проводника 4, соединяющих кромки 5 оснований конусов 2. Отрезки проводника 4 выполнены в виде двух равных частей, смещенных одна относительно другой на угол α=360°/2N=360°/2×3=360°/6=60°, и расположены с равным угловым смещением вокруг оси конусов 1, и соединены одна с другой посредством проводящей перемычки 6. Проводящая перемычка 6 выполнена из проводников, которые образуют правильный шестиугольник. У установленных над основаниями конусов 2 отражателей 7 поверхность 8 образована вращением вокруг оси 1 конусов 2 образующей, изменяющейся по закону Y=±(1,89ехр0,052Х)+Н, при 0=X=(1,5)λmax. (Н - высота конуса, λmax - максимальная длина волны рабочего диапазона длин волн. Ось Y совпадает с осью конусов, а начало координат совпадает с геометрическим центром антенны. При этом λmax, Н и Y измеряются в сантиметрах. Угол раствора конусов (θ) равен π/3 (60°), отрезки проводников 4 шунтов 3 имеют длину, равную 2L/3, где L - длина образующей конусов 2 (длина L определена эмпирическим путем). Точки 9 (одновременно являющиеся вершинами шестиугольной проводящей перемычки 6) соединения отрезков проводников 4 шунтов 3 с вершинами шестиугольной проводящей перемычки 6 прямым продолжением проводников 4 шунтов 3 соединены проводниками 10 (они параллельны оси 1 конусов 2) с кромками 11 отражателей 7.
Дополнительно точки соединения (на фиг. 1 не обозначены) проводников 4 шунтов 3 с кромкой 5 конусов 2 соединены соединительными проводниками 12 с центром отражателей 7, что увеличивает механическую прочность всей конструкции антенны.
Биконическая антенна работает следующим образом.
При подаче высокочастотного сигнала в вершины конусов 2 в биконической антенне (фиг. 1) возбуждаются электрические токи, которые формируют излучение с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости (фиг. 2). Установка над основаниями конусов 2 отражателей 7 приводит к переизлучению энергии в вертикальной плоскости и ее концентрации в направлении горизонтальной плоскости, что проявляется в повышенном коэффициента усиления (фиг. 3). Выполнение поверхности отражателя путем вращения вокруг оси конусов образующих, изменяющихся по закону Y=±(1,89exp0,052X)+Н, при 0=X=(1,5)λmax. (Н - высота конуса, λmax - максимальная длина волны рабочего диапазона длин волн, ось Y совпадает с осью конусов, а начало координат совпадает с геометрическим центром антенны), обеспечивает синфазность поля по раскрыву с повышением эффективности излучения антенны в горизонтальной плоскости по всей круговой направленности. Угол раствора конусов (θ), равный π/3, отличающийся от классического π/2, увеличивает входное сопротивление антенны, но уменьшение длины шунтов 3 за счет уменьшения отрезков проводников 4 до длины, равной 2L/3, совместно с направлением по более короткому пути прямых проводящих перемычек 6, между отрезками проводников 4, его уменьшает. Дополнительно уменьшает входное сопротивление антенны в комплексе и соединения точек 9 соединения шунтов 3 и перемычек 6 продолжением проводников 4 шунтов 3 из углов соединения шунтов 3 и перемычек 6, проводниками 10, параллельными оси 1 конусов 2, с кромками отражателей. Таким образом, при подключении шунтов 3 к кромкам 5 оснований конусов 2, при рассмотренном соотношении отрезков проводников 4, обеспечивается оптимальное согласование антенны с коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 75 Ом (фиг. 4). Кроме этого, точки соединения 9 отрезков проводников 4 шунтов 3 и перемычек 6 продолжением проводников 4 шунтов 3 из углов соединения отрезков проводников 4 и перемычек 6, соединены проводниками 10, параллельными оси конусов 1, с кромками 11 отражателей 7, так как эти точки, с учетом сдвига фаз токов проводимости по образовавшейся цепи, отвечают условиям нулевого потенциала. При чем, при изменении длин отрезков проводников 4 изменяется как угол наклона, так и длина прямых проводящих перемычек 6 изменяя общую длину шунтов 3. Все это влечет изменение входного сопротивления антенны и изменение диапазона рабочих частот, возможность согласования с используемыми фидерами питания. В свою очередь углы наклона прямых проводящих перемычек 6 с отрезками проводников 4, через точки соединения 9 отрезков проводников 4 шунтов 3 и перемычек 6 образуют замкнутую вокруг оси 1 конусов 3 систему треугольников (правильный шестиугольник), что обеспечивает повышение механической прочности антенны. Дополнительно к этому точки кромок конусов 2, соединенные с отрезками проводников 4 шунтов 3, соединительными проводниками 12 соединены с центром отражателя 7, встречно расположенные в горизонтальной плоскости, не влияют на основные электрические характеристики вибратора, но увеличивают механическую надежность всей конструкции антенны.
Результаты компьютерного моделирования в программе MMANA-GAL (фиг. 2, 3 и 4) полностью подтверждают анализ работы биконической антенны. Предложенное техническое решение антенного устройства обеспечивает круговую диаграмму направленности (фиг. 2). Соотношение и уровень коэффициентов усиления и защитного действия подтверждают эффективность работы антенны (фиг. 3), а график изменения коэффициента стоячих волн дополняет подтверждение повышенной эффективности (4). Для использования в радиотехнических системах различного назначения, в том числе в судовых системах радиосвязи, в дециметровом и метровом диапазоне радиоволн биконическая антенна может быть полностью реализована в скелетном исполнении из проволочных элементов одного сортамента ажурной конструкцией повышенной надежности от внешних воздействий.