ШИРОКОПОЛОСНЫЙ СИММЕТРИЧНЫЙ ВЕРТИКАЛЬНЫЙ ВИБРАТОР

Предлагаемый вертикальный вибратор относится к области радиотехники, в частности антенной техники и может быть использован в составе систем радиосвязи, устанавливаемых на подвижных носителях.
Одной из основных тенденцией развития антенной техники для современных средств мобильной радиосвязи является расширение полосы рабочих частот приемопередающих антенн при одновременном уменьшении их массогабаритных показателей.
Известен конический симметричный вибратор (Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ, т.1, изд. »Связь», М., 1977, стр.187), обладающий расширенной полосой рабочих частот. Его недостатком является неравномерность диаграммы направленности в горизонтальной плоскости из-за наличия шунтов.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому является антенна по патенту США №3931625, опубл. 6 января 1976 г., принятая за прототип.
Схема антенны-прототипа представлена на фиг.1, где обозначено:
1 - плечо вибратора;
1.1 - штыревые элементы;
1.2 - основание плеча вибратора;
3 - входной зажим;
4 - генератор высокочастотного сигнала (ВЧ);
5 - общий вывод генератора ВЧ.
Антенна-прототип является несимметричным вибратором и содержит плечо вибратора 1, которое выполнено в виде отличающихся по длине штыревых элементов 1.1, расположенных параллельно друг другу на одинаковом расстоянии от центра окружности основания плеча вибратора 1.2. Центр основания
соединен входным зажимом 3 с генератором ВЧ сигналов 4, другой вывод которого соединен с общим выводом 5.
Антенна-прототип работает следующим образом.
При подаче на входной зажим 3 высокочастотного сигнала от генератора 4 происходит возбуждение антенны. В силу разной длины штыревых элементов 1 резонансные частоты соседних штыревых элементов 1 различны, за счет чего и происходит расширение полосы рабочих частот антенны.
Однако для обеспечения эффективного излучения вибратора требуется наличие металлического противовеса, которым часто является сам подвижный носитель. В этом случае общий вывод генератора ВЧ 5 соединяется с противовесом. Это ограничивает функциональные возможности антенны, так как габариты носителя или материал, из которого он изготовлен, не позволяют обеспечить условие хорошо развитого противовеса. Кроме этого, при изготовлении антенны для высоких частот, возникают конструктивные трудности, связанные с уменьшением размеров элементов.
Недостатком антенны-прототипа являются ограниченные функциональные возможности антенны, а также трудности в ее изготовлении.
Для устранения указанных недостатков в широкополосный симметричный вертикальный вибратор, содержащий верхнее плечо вибратора, согласно изобретению, введено симметричное нижнее плечо вибратора, при этом оба плеча выполнены в виде металлических стаканов с переменной высотой вертикальных стенок.
Схема предлагаемой антенны представлена на фиг.2, где обозначено:
1 - верхнее плечо вибратора;
2 - нижнее плечо вибратора;
3, 6 - входные зажимы;
4 - генератор ВЧ сигнала;,
7, 8 - точки дна верхнего и нижнего плеча вибратора;
9 - коаксиальный кабель;
9.1 - центральный проводник коаксиального кабеля;
9.2 - оплетка коаксиального кабеля.
Предлагаемый вибратор содержит симметричные верхнее 1 и нижнее 2 плечи вибратора, выполненные в виде металлических стаканов, стенки которых имеют переменную высоту. Причем стаканы 1 и 2 обращены дном друг к другу и установлены вдоль оси z.
2
min
Дно нижнего стакана 2 имеет отверстие, через которое проходит центральный проводник 9.1 коаксиального кабеля 9, гальванически соединенный с дном верхнего стакана в точке 7. Оплетка 9.2 коаксиального кабеля 9, размещаемого вдоль оси z, гальванически соединена с дном нижнего стакана в точке 8. Коаксиальный кабель 9 связывает антенну с входными зажимами 5 и 6 генератора высокочастотных колебаний 4. Расстояние между плечами 1 и 2 (L) равно 0.125λ.
i
1
N
1
max
N
min
На фиг.3 представлена развертка нижнего плеча антенны. Кромки стаканов формируются образующей боковых стенок переменной длины L, выбираемой из диапазона [L, L], где: L=0.25λ; L=0.25λ;
max
λ - максимальная длина волны рабочего диапазона,
min
λ - минимальная длина волны рабочего диапазона.
max
Число периодов в кромке R определяет изрезанность ДН в горизонтальной плоскости. Удовлетворительные результаты получаются при R=4. Диаметр основания каждого плеча D выбирают из интервала D=(0.03-0.1)λ в зависимости от предъявляемых требований к изрезанности диаграммы направленности в вертикальной плоскости.
Предлагаемый вибратор работает следующим образом.
При включении генератора ВЧ сигнала 4 через коаксиальный кабель 9 происходит возбуждение плеч вибратора 1 и 2. Известно (Г.А.Ерохин, О.В.Чернышев и др. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. М., Горячая линия Телеком, 2004, стр.100), что при сложной поверхности возбуждающих токов результирующая ДН может быть представлена суммой парциальных ДН элементарных токонесущих поверхностей. Конструкция предлагаемого вибратора такова, что для горизонтальной плоскости
i
наиболее эффективными элементарными диаграммообразующими элементами являются вертикальные составляющие боковых стенок вибратора шириной (Δс) и длиной ΔL. Возможны различные формы кромки, однако, в рабочем макете антенны длина i-го элементарного диаграммообразующего элемента определяется зависимостью:
i
1
i-1
L=L·τ, где: i=1, 2, ... N. Количество элементарных диаграммообразующих элементов N на половине периода кромки может быть определено как:  где: 0,75≤τ≤0.98;
1
N
МАХ
1
MIN
N
i
В силу того, что размеры диаграммообразующих элементов N изменяются в пределах от L до L, рабочий диапазон длин волн лежит в пределах от λ=4L до λ=4L. На каждой рабочей частоте ДН является изотропной в пределах L/λ=0.1÷0.625, где λ - рабочая длина волны.
1
N
В результате испытаний заявляемого вибратора диаметром основания D=40 мм и размерами плеча L=190 мм, L=47 мм получены следующие результаты. В диапазоне частот от 400 до 2500 МГц КСВН не превышает 2.5 (фиг.4). Неравномерность диаграмм направленности в этом же частотном диапазоне не превышает 1,5 дБ (фиг.5).