Широкополосная антенна
BROADBAND ANTENNA

Область техники, к которой относится изобретение
Предлагаемое изобретение относится к технике радиосвязи и может быть использовано в качестве широкополосной антенны для установки на стационарных и подвижных объектах, в том числе узлах связи.
Уровень техники
Известна двухчастотная антенна, патент РФ Н №2066080, H01Q 9/18 от 27.08.1996 г., содержащая вертикальный вибратор с шунтом, выполненным из отрезка многопроводной линии, где к нижнему концу вертикального вибратора подключен источник питания и присоединены нижние концы проводников многопроводной линии, отличающаяся тем, что проводники отрезка многопроводной линии размещены равномерно вокруг вертикального вибратора на одинаковом расстоянии от него и на расстоянии 1/4 длины волны, соответствующей верхней рабочей частоте, от их верхних концов соединены между собой проводящей перемычкой, причем длина вертикального вибратора равна 5/8 длины волны, соответствующей нижней рабочей частоте, а длина отрезка многопроводной линии равна 5/8 длины волны, соответствующей верхней рабочей частоте, и кроме того, диаметры проводников отрезка многопроводной линии равны диаметру вертикального вибратора, расстояние между их осями и осью вертикального вибратора не превышает двух диаметров вертикального вибратора, количество проводников отрезка многопроводной линии кратно двум и эти проводники попарно расположены в диаметрально расположенных плоскостях.
Технические проблемы: ограниченные функциональные возможности, обусловленные тем, что антенна работает в узком диапазоне частот.
н
н
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является антенна, авторское свидетельство №1601670, H01Q 9/18 от 23.10.1990 г., фиг. 1. Устройство содержит вертикальный штырь, выполненный в виде двух стержней 1 и 2, проводящую трубу, выполненную в виде трех отрезков 3, 4, 5, горизонтальный экран 6, коаксиальный фидер (не показан), цилиндрическую спираль 7 и диэлектрический цилиндр 8. Стержни 1 и 2 соосны. Отрезки 3, 4, 5 установлены соосно со стержнями 1 и 2 и соосно с цилиндрической спиралью 7 и диэлектрическим цилиндром 8. Верхний отрезок 3 соединен нижним концом с верхним концом цилиндрической спирали 7, которая нижним концом через проводящую перемычку 9 соединена с верхним концом нижнего стержня 2. Нижний отрезок 5 соединен с горизонтальным экраном 6. Нижний стержень 2 соединен с центральным проводником коаксиального фидера, внешний проводник которого соединен с горизонтальным экраном 6. На нижних частотах диапазона антенна работает как четвертьволновый несимметричный вибратор со смещенной точкой питания и включенной индуктивностью. Указанный несимметричный вибратор образован внешними поверхностями верхнего и нижнего отрезков. На верхних частотах диапазона антенна работает как полуволновый вибратор со смещенной точкой питания. Указанный полуволновый вибратор образован верхней частью верхнего стержня, выступающей выше верхнего конца верхнего отрезка, и внешней поверхностью верхнего отрезка. Общая высота антенны равна 0,125λ где λ - длина волны, соответствующая нижней частоте рабочего диапазона. Антенна имеет КБВ не менее 0,4 в шестикратной полосе частот. Антенна заармирована в стеклопластиковый корпус (не показан), являющийся несущей конструкцией антенны.
Верхний стержень 1 закреплен в верхнем отрезке 3 посредством диэлектрического цилиндра 8, который является также опорой для цилиндрической спирали 7. В кольцевых щелях между отрезками 5 и 4 и отрезком 3 и цилиндрической спиралью 7 размещены диэлектрические кольца (не показаны).
н
н
н
н
н
н
н
н
н
Антенна имеет следующие параметры: высота антенны 0,125λ; диаметр антенны 0,0018λ, высота отрезков 4 и 5 около 0,02λ, ширина кольцевой щели между отрезками 3 и 4 около 0,0017λ, высота цилиндрической спирали 7 около 0,017λ, высота отрезка 3 - 0,047λ„ высота нижнего стержня 2 - 0,047λ, высота верхнего стержня 1 - 0,077λ, где λ - длина волны, соответствующая нижней частоте рабочего диапазона.
Антенна работает следующим образом. На нижних частотах рабочего диапазона бегущая электромагнитная волна типа ТЕМ в коаксиальной линии, распространяющаяся по коаксиальному фидеру, и далее между внутренней поверхностью отрезка 5 и стержнем 2, возбуждает волну тока на внешних поверхностях отрезка 5 и отрезка 3, соединенного со стержнем 2 через цилиндрическую спираль 7, а также отрезка 4, связанного с отрезком 3 через конструктивную емкость, образованную внутренней поверхностью отрезка 3, диэлектрическим цилиндром 8 и нижней частью стержня 1.
Распределение тока вдоль указанных поверхностей подобно распределению тока в известной антенне: Техника сверхвысоких частот, Том I /Под ред. Я.Н. Фельда. - М.: Сов. радио, 1952 г., с. 116-120, рис. IV.10. Индуктивность цилиндрической спирали действует подобно индуктивному шлейфу известной антенны, улучшая согласование на нижней границе частотного диапазона. Антенна излучает вертикально поляризованную электромагнитную волну.
По мере повышения рабочей частоты возрастает индуктивное сопротивление цилиндрической спирали 7 и уменьшаются емкостные сопротивления трех конструктивных емкостей между отрезками 4 и 5, между отрезком 4 и нижним концом цилиндрической спирали 7, а также между стержнями 1 и 2.
Бегущая электромагнитная волна типа ТЕМ в коаксиальной линии распространяется между внутренними поверхностями отрезков 5 и 4, цилиндрической спирали 7 и отрезка 3, связанными одна с другой через емкости с малым емкостным сопротивлением и поверхностями стержней 1 и 2, связанных один с другим через емкость с малым емкостным сопротивлением.
Увеличение распределенного сопротивления индуктивности коаксиальной линии на участке цилиндрической спирали 7 компенсируется увеличением распределенного сопротивления емкости, вызванной наличием диэлектрического цилиндра 8.
Стоячая волна тока возбуждается на верхней части стержня 1, выступающей выше верхнего конца отрезка 3, и на внешней поверхности отрезка 3, общая длина которых близка к половине длины волны на верхней частоте рабочего диапазона. Большое индуктивное сопротивление цилиндрической спирали 7 резко снижает затекание тока на внешние поверхности отрезков 4 и 5.
Антенна излучает вертикально поляризованную электромагнитную волну подобно полуволновому вертикальному диполю со смещенной точкой питания, размещенному над горизонтальным экраном.
Указанные режимы работы антенны обеспечивают согласование антенны с коаксиальным фидером в шестикратном диапазоне частот с КБВ не менее 0,4, что соответствует КСВ не более 2,5.
Технические проблемы: относительно узкая ширина рабочей полосы частот.
Раскрытие изобретения
Цель предлагаемого изобретения - расширение рабочей полосы частот.
Техническое решение
В антенну, содержащую вертикальный штырь, установленный над горизонтальным экраном и соединенный с центральным проводником коаксиального фидера, внешний проводник которого соединен с горизонтальным экраном, цилиндрическую спираль и проводящую трубу, установленную соосно с вертикальным штырем, соединенную с горизонтальным экраном и имеющую высоту менее высоты вертикального штыря, причем проводящая труба выполнена в виде отрезков, вертикальный штырь выполнен в виде двух стержней, расположенных соосно, цилиндрическая спираль, расположенная соосно с ними и соединенная верхним концом с нижним концом верхнего отрезка, а нижним концом - с верхним концом нижнего отрезка, и диэлектрический цилиндр, соединяющий нижний и верхний стержни, верхний отрезок и цилиндрическую спираль, причем диаметр цилиндрической спирали и внешний диаметр диэлектрического цилиндра равны диаметру проводящей трубы, введены две аналогичные антенны с противовесами и широкополосными развязывающими устройствами и триплексер, причем две аналогичные антенны с противовесами и широкополосными развязывающими устройствами установлены соосно с первой и имеют размеры, соответствующие длинам волн соседних диапазонов, нижние и верхние стержни антенн выполнены полыми, соответствующие входы триплексера соединены с выходами соответствующих антенн, коаксиальные кабели пропущены внутри нижних и верхних полых стержней каждой антенны, противовесы имеют не менее 12 радиальных проводов длиной, равной общей высоте соответствующей парциальной антенны, угол расположения противовесов относительно оси антенн 90°, широкополосные развязывающие устройства образованы чередованием индуктивностей, каскадно соединенных между собой соответствующими коаксиальными кабелями, причем индуктивности выполнены намоткой соответствующего коаксиального кабеля на диэлектрические каркасы или нанизыванием высокочастотных магнитных колец, например ферритовых, на участки соответствующего коаксиального кабеля, расположенные между полыми стержнями смежных антенн.
Описание чертежей
На чертежах показаны: прототип (фиг. 1), широкополосная антенна.
(фиг. 2).
Осуществление изобретения
н1
н1
н2
н2
н3
н3
На чертеже фиг. 2 показано предлагаемое устройство. Устройство содержит вертикальный штырь, выполненный в виде двух стержней 1 и 2, проводящую трубу, выполненную в виде трех отрезков 3, 4, 5, горизонтальный экран 6, цилиндрическую спираль 7 и диэлектрический цилиндр 8. Стержни 1 и 2 соосны. Отрезки 3, 4, 5 установлены соосно со стержнями 1 и 2 и соосно с цилиндрической спиралью 7 и диэлектрическим цилиндром 8. Верхний отрезок 3 соединен нижним концом с верхним концом цилиндрической спирали 7, которая нижним концом через проводящую перемычку 9 соединена с верхним концом нижнего стержня 2. Нижний отрезок 5 соединен с горизонтальным экраном 6. Нижний стержень 2 соединен с центральным проводником коаксиального фидера 10, внешний проводник которого соединен с горизонтальным экраном 6. Позиции с 1 по 10 являются низкочастотной антенной 11. Среднечастотная антенна 12, высокочастотная антенна 13 с противовесами соответственно 14 и 15, широкополосные развязывающие устройства, образованные чередованием индуктивностей, каскадно соединенных между собой коаксиальными кабелями 16, причем индуктивности выполнены намоткой соответствующего коаксиального кабеля на диэлектрические каркасы или нанизыванием высокочастотных магнитных колец 17, например ферритовых, на участки коаксиальных кабелей, расположенных между антеннами, в диэлектрических вставках 18. Триплексер 19 соединен своими парциальными входами/выходами с соответствующими коаксиальными кабелями, общий выход/вход триплексера подключен ко входу/выходу радиостанции, на чертеже условно не показанной. Низкочастотная, среднечастотная и высокочастотная антенны аналогичны по своему составу. На нижних частотах диапазона антенна работает как четвертьволновый несимметричный вибратор со смещенной точкой питания и включенной индуктивностью. Указанный несимметричный вибратор образован внешними поверхностями верхнего и нижнего отрезков. На верхних частотах диапазона антенна работает как полуволновой вибратор со смещенной точкой питания. Указанный полуволновой вибратор образован верхней частью верхнего стержня, выступающей выше верхнего конца верхнего отрезка, и внешней поверхностью верхнего отрезка. Общая высота низкочастотной антенны равна 0,125λ, где λ - длина волны, соответствующая нижней частоте рабочего диапазона низкочастотной антенны. Общая высота среднечастотной антенны равна 0,125λ, где λ - длина волны, соответствующая нижней частоте рабочего диапазона среднечастотной антенны. Общая высота высокочастотной антенны равна 0,125λ, где λ - длина волны, соответствующая нижней частоте рабочего диапазона высокочастотной антенны.
В каждой антенне верхний стержень 1 закреплен в верхнем отрезке 3 посредством диэлектрического цилиндра 8, который является также опорой для цилиндрической спирали 7. В кольцевых щелях между отрезками 5 и 4 и отрезком 3 и цилиндрической спиралью 7 размещены диэлектрические кольца (не показаны).
н1
н1
н1
н1
н1
н1
н1
н1.
Низкочастотная антенна имеет следующие геометрические параметры: высота антенны 0,125λ диаметр антенны 0,0018λ, высота отрезков 4 и 5 около 0,02λ, ширина кольцевой щели между отрезками 3 и 4 около 0,0017λ, высота цилиндрической спирали 7 около 0,017λ, высота отрезка 3 - 0,047λ, высота нижнего стержня 2 - 0,047λ, высота верхнего стержня 1 - 0,077λ
н2
н2
н2
н2
н2
н2
н2
н2
Среднечастотная антенна имеет следующие геометрические параметры: высота антенны 0,125λ, диаметр антенны 0,0018λ, высота отрезков 4 и 5 около 0,02λ, ширина кольцевой щели между отрезками 3 и 4 около 0,0017λ, высота цилиндрической спирали 7 около 0,017λ, высота отрезка 3 - 0,047λ высота нижнего стержня 2 - 0,047λ, высота верхнего стержня 1 - 0,077λ.
н3
н3
н3
н3
н3
н3
н3
н3
Высокочастотная антенна имеет следующие геометрические параметры: высота антенны 0,125λ, диаметр антенны 0,0018λ, высота отрезков 4 и 5 около 0,02λ, ширина кольцевой щели между отрезками 3 и 4 около 0,0017λ, высота цилиндрической спирали 7 около 0,017λ, высота отрезка 3 - 0,047λ высота нижнего стержня 2 - 0,047λ, высота верхнего стержня 1 - 0,077λ.
Предлагаемая широкополосная антенна работает следующим образом. В низкочастотной антенне на нижних частотах рабочего диапазона бегущая электромагнитная волна типа ТЕМ в коаксиальной линии, распространяющаяся по коаксиальному фидеру, и далее между внутренней поверхностью отрезка 5 и стержнем 2, возбуждает волну тока на внешних поверхностях отрезка 5 и отрезка 3, соединенного со стержнем 2 через цилиндрическую спираль 7, а также отрезка 4, связанного с отрезком 3 через конструктивную емкость, образованную внутренней поверхностью отрезка 3, диэлектрическим цилиндром 8 и нижней частью стержня 1.
Распределение тока вдоль указанных поверхностей подобно распределению тока в известной антенне: Техника сверхвысоких частот, Том I / Под ред. Я.Н. Фельда. - М: Сов. радио, 1952 г., с. 116-120, рис. IV.10. Индуктивность цилиндрической спирали действует подобно индуктивному шлейфу известной антенны, улучшая согласование на нижней границе частотного диапазона. Антенна излучает вертикально поляризованную электромагнитную волну.
По мере повышения рабочей частоты в низкочастотной антенне возрастает индуктивное сопротивление цилиндрической спирали 7 и уменьшаются емкостные сопротивления трех конструктивных емкостей между отрезками 4 и 5, между отрезком 4 и нижним концом цилиндрической спирали 7, а также между стержнями 1 и 2.
Бегущая электромагнитная волна типа ТЕМ в коаксиальной линии распространяется между внутренними поверхностями отрезков 5 и 4, цилиндрической спирали 7 и отрезка 3, связанными одна с другой через емкости с малым емкостным сопротивлением и поверхностями стержней 1 и 2, связанных один с другим через емкость с малым емкостным сопротивлением.
Увеличение распределенной индуктивности коаксиальной линии на участке цилиндрической спирали 7 компенсируется увеличением распределенной емкости, вызванной наличием диэлектрического цилиндра 8.
Стоячая волна тока возбуждается на верхней части стержня 1, выступающей выше верхнего конца отрезка 3, и на внешней поверхности отрезка 3, общая длина которых близка к половине длины волны на верхней частоте рабочего диапазона низкочастотной антенны. Большое индуктивное сопротивление цилиндрической спирали 7 резко ограничивает затекание тока на внешние поверхности отрезков 4 и 5.
Низкочастотная антенна излучает вертикально поляризованную электромагнитную волну подобно полуволновому вертикальному диполю со смещенной точкой питания, размещенному над горизонтальным экраном, Указанные режимы работы антенны обеспечивают согласование антенны с коаксиальным фидером в шестикратном диапазоне частот с КБВ не менее 0,4, что соответствует КСВ около 2,5.
Аналогично работают среднечастотная и высокочастотная антенны, их противовесы выполняют роль горизонтальных экранов как и в низкочастотной антенне. Для того чтобы токи верхнего 1 и нижнего 2 плеч вибраторов высокочастотной и среднечастотной антенн не проникали на поверхность соединений высокочастотной и среднечастотной антенн и среднечастотной и низкочастотной антенн (это приводит к искажению диаграммы направленности в вертикальной плоскости), развязывающее устройство выполнено широкополосным и состоит из чередующихся индуктивностей, каскадно соединенных между собой коаксиальными кабелями 16, причем индуктивности выполнены намоткой соответствующего коаксиального кабеля на диэлектрические каркасы или нанизыванием высокочастотных магнитных колец 17, например ферритовых, на участки коаксиальных кабелей, расположенных между антеннами, в диэлектрических вставках 18. Устройство широкополосной антенны, как и прототип заармировано в стеклопластиковый корпус (не показан), являющийся несущей конструкцией антенны.