КОЛЛИНЕАРНАЯ АНТЕННА
COLLINEAR ANTENNA

Изобретение относится к антенно-фидерным устройствам и может быть использовано в качестве антенны с вертикальной поляризацией электрического поля и круговой диаграммой в горизонтальной плоскости.
Наиболее эффективно предлагаемое изобретение может быть использовано в антенных системах DME - DISTANCE MEASURING EQUIPMENT (оборудование измерения дальности).
Известна коллинеарная решетка из двух цилиндрических диполей (P. Volta "Design and Development of an Omnidirectional Antenna With a Collinear Array of Slots", Microwave Journal, 12, 1982, p.111), которая обеспечивает коэффициент усиления 5 dB и КСВ<2 в полосе частот 1030-1060 МГц. Недостатками этой антенны являются небольшая полоса рабочих частот и сложность в реализации антенной системы с большим коэффициентом усиления.
Известна также коллинеарная антенна (патент №2107364), содержащая вертикальную цепочку из активных шунтовых вибраторов закрепленных соосно на металлической трубе. Каждый активный вибратор состоит из двух идентичных плеч аналогичных по конструкции элементов. Распределенная система питания выполнена виде коаксиального тракта образованного линиями передачи расположенными внутри несущей металлической трубы. Геометрические размеры коаксиального фидерного тракта и конструктивных элементов антенны определяются соответствующими соотношениями.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является коллинеарная антенная система DME FAN-96 компании «Thales». Коллинеарная антенная система DME FAN-96 содержит несущую трубу, на которой расположены n полуволновые вибраторы. Плечи этих вибраторов выполнены из двух металлических цилиндров и имеют гальваническую связь с несущей трубой. Питание вибраторов осуществляется коаксиальной линией передачи, центральный провод соединяется к верхнему плечу, а оплетка к нижнему плечу элементарного вибратора. Развязка элементарных вибраторов обеспечивается с помощью объемных резонаторов. Фазировка производится коаксиальными линиями передачи которые проложены в несущей трубе антенной системы.
Недостатками данного прототипа являются:
- затекание токов на поверхность несущей трубы со стороны верхних плеч вибраторов. Это приводит к электрической асимметрии полуволновых вибраторов,
- неравномерное распределение токов по плечам вибраторов. Обусловлено тем, что ток верхнего плеча протекает не только по поверхности плеча вибратора, но и по внешней поверхности несущей трубы до нижнего плеча соседнего вибратора,
- взаимовлияние между соседними вибраторами. Для обеспечения развязки между соседними вибраторами и устранения эффекта токового затекания, между активными вибраторами используется четвертьволновой блокирующий резонатор (N.Е. Lindenblad - блокирующий резонатор патент США №2131208, 1936 г.), а это приводит к увеличению массы и ухудшению технологичности антенны,
- низкое входное сопротивлений вибраторов. Согласование вибраторов производится низкоомными коаксиальными линиями передачи, что также ухудшает технологичность антенны,
- неравномерная диаграмма направленности в следствии нарушения электрической симметрии запитки вибраторов. Для выравнивания диаграммы направленности в горизонтальной плоскости производится шунтирование вибраторов. Применение метода шунтирования вибраторов выравнивает диаграмму направленности в горизонтальной плоскости, но уменьшает диапазон рабочих частот вибраторов.
Задача изобретения состоит в повышении технических характеристик антенны.
Технический результат достигается за счет уменьшения массы; увеличения технологичности; расширения рабочей полосы; увеличения коэффициента усиления; выравнивания диаграммы направленности в азимутальной плоскости.
Сущность изобретения в том, что коллинеарная антенная система, включает несущую трубу на которой расположены n-полуволновые излучатели, где несущая труба и n-активные излучатели состоят из двух металлических чашек, гальванически развязанных с несущей трубой, питание излучателей осуществлено коаксиальными линиями передачи через Т-образные делители мощности, которые реализованы на излучающей поверхности элементарных излучателей, центральный проводник которой соединен с верхним плечом излучателя, а экран соответственно с нижним плечом излучателя, электрическая длина коаксиальных линий передачи от точки запитки излучателей до точки вывода из несущей трубы равна λ/4, диэлектрические изоляторы между металлическими чашками служат фиксатором положения излучателей и определителем входного волнового сопротивления излучателей, а диэлектрические шайбы соосно фиксируют излучатели относительно несущей трубы.
Элементарные вибраторы антенной системы гальванически развязаны с несущей трубой, питание элементарных вибраторов осуществляется коаксиальной линией передачи, центральный проводник которой соединен с верхним плечом вибратора, а экран соответственно с нижним плечом вибратора. На несущей трубе с помощью металлических фиксаторов закреплены n-активных вибраторов на расстоянии λ/2 (где λ - длина волны) относительно их фазовых центров. Диэлектрические изоляторы выполняют функции фиксации плеч вибраторов, обеспечивают их соосность относительно несущей трубы, и гальваническую развязку вибраторов с несущей трубой. Запитка вибраторов осуществляется через Т-образные делители мощности, реализованные на излучающей поверхности плеч вибратора. Электрическая длинна коаксиальной линии передачи от точки вывода из несущей конструкции до точки запитки элементарного вибратора равна λ/4.
На рис.1 представлена принципиальная конструктивная схема коллинеарной антенны с параллельной запиткой, которая состоит из:
1 - несущая труба;
2 - металлический фиксатор;
3 - чашка вибратора;
4 - диэлектрический изолятор;
5 - диэлектрическая шайба;
6 - центральный проводник коаксиального кабеля;
7 - точка вывода коаксиального кабеля;
8 - точка запитки.
На рис.2 показана чашка элементарного излучателя, в котором реализованы Т-образные делители мощности, где 1 - точка запитки элементарного вибратора антенной системы.
Коллинеарная антенна с параллельной запиткой состоит из несущей трубы 1, на которой с помощью специальных металлических фиксаторов 2 закреплены n активных вибраторв на расстоянии λ/2 друг от друга. Питание вибраторов осуществляется коаксиальной линией, центральный провод 6 соединяется к верхней чашке, а оплетка нижней чашке. Вибратор состоит из двух совершенно одинаковых чашек 3, между ними имеется диэлектрический изолятор 4, который фиксирует расстояние между чашками и несущей трубой. Расстояние между несущей трубой и чашками сверху и снизу зафиксированы диэлектрическими шайбами 5 и на самих чашках имеются Т-образные делители мощности, обеспечивающие синфазное распределение токов на излучающую поверхность вибратора.
На ОАО НПК «Русская радиоэлектроника» была изготовлена и прошла испытания предлагаемая коллинеарная антенна.
На рис.3 представлен коэффициент стоячей волны напряжения (КСВН) одиночного излучателя коллинеарной антенны.
На рис.4 представлена диаграмма направленности в горизонтальной плоскости.
На рис.5 представлена также диаграмма направленности в трехмерном виде.
Основные отличия предлагаемой антенной системы, улучшающие ее электрические, конструктивные и технологические характеристики по сравнению с аналогами:
1. В данной антенной системе вибраторы не имеют гальванической связи с несущей трубой, вследствие чего затекания токов по трубе минимальны и отпадает необходимость в применении четвертьволновых блокирующих резонаторов, которые есть у аналога.
2. Во всех аналогичных антенных системах электрический центр точки запитки вибратора нарушен, вследствие чего происходит неравномерное распределение токов на излучающую поверхность вибратора и нарушается равномерность диаграммы направленности (ДН) в азимутальной плоскости. ДН выравнивается с помощью шунта. Шунт монтируется в противоположной стороне относительно точки запитки. В предлагаемой антенне не применятся шунтовой метод по следующим причинам: ДН не равномерна в диапазоне рабочих частот; происходит уменьшение диапазона рабочих частот. В предлагаемой антенной системе ДН выравнивается с помощью Т-образных делителей мощности рис.2, через которые осуществляется запитка вибраторов.
3. В отличие от аналога электрическая длина коаксиальной линии передачи от точки вывода 7, рис.1, до точки запитки 8 равна λ/4, это позволяет существенно снизить антенный эффект коаксиальных кабелей и тем самим обеспечить стабильные электрические характеристики антенной системы.
Таким образом, применение конструктивной схемы в виде несущей трубы, состоящего из n-ного количество вибраторов с n-ным количеством кабелей, проложенных в трубе для запитки вибраторов, гальваническая развязка, а также применение Т-образного делителя позволяет:
1. Уменьшить массу антенны за счет исключения из антенной системы четвертьволновых блокирующих резонаторов.
2. Увеличить технологичность за счет уменьшения количества элементов используемых в антенне, и использования стандартных 50-омных коаксиальных кабелей для запитки вибраторов.
3. Увеличить полосу рабочих частот за счет оптимизации формы чашки вибратора.
4. Увеличить коэффициент усиления антенны за счет увеличения количества излучателей и оптимального подбора расстояния между ними.
5. Добиться равномерной диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, используя Т-образные делители мощности, которые обеспечивают равномерное распределение токов на излучающей поверхности чашек вибратора.