ВЕРТИКАЛЬНЫЙ СИММЕТРИЧНЫЙ ВИБРАТОР С ШУНТОМ И СПИРАЛЬНЫМ КОАКСИАЛЬНЫМ ФИДЕРОМ

Полезная модель относится к антеннам радиосвязи, а именно к симметричным вибраторным антеннам МВ-ДМВ диапазонов, устанавливаемых на подвижных и стационарных объектах, например, судах и радиоцентрах. Известно (см. М.В. Вершков, О.Б. Миротворский «Судовые антенны» изд. Судостроение, 1990 г. с. 187), что антенны, предназначенные для эксплуатации в указанных условиях должны быть легкими, прочными, удобными для установки на судовых надстройках, противостоять обледенению и сильным ветрам, быть устойчивыми к качке и длительным наклонам, вибрации, ударам, обеспечивать молниезащиту, то есть иметь непрерывность заземления по постоянному току.
Кроме этого, в настоящее время на судах и радиоцентрах устанавливается радиостанция Р-620 с рабочим диапазоном частот от 100 до 512 МГц, что требует использование антенны с соответствующими параметрами.
Наиболее полно этим требованиям соответствует известный вертикальный симметричный вибратор с шунтом и спиральным коаксиальным фидером (патент на полезную модель №117728, заявка №2012103729 от 31.01.2012 г. МПК: H01Q 9/16) в котором коаксиальный фидер питания уложен в виде спирали по диэлектрическим стойкам вдоль нижнего плеча вибратора, при этом шаг спирали выполнен меньше диаметра спирали, а нижнее плечо вибратора установлено на изоляторах, образованных продолжением указанных стоек, при этом длина изолятора определяется соотношением:
max
где  - длина изолятора, а λ - максимальная длина волны рабочего диапазона антенны.
min
Предложенный в патенте №117728 вибратор был принят за прототип. Вертикальный симметричный шунтовой вибратор прототипа, имеющий цилиндрические плечи, предназначен для работы в диапазоне частот 100-400 МГц. Недостатком этого технического решения является недопустимое изменение диаграммы направленности в вертикальной плоскости при соотношениях  ( - длина плеча вибратора, λ - минимальная длина волны рабочего диапазона антенны) при которых отсутствует максимум излучения вдоль горизонта см. фиг. 3а, что приводит к нежелательному уменьшению коэффициента усиления см. фиг. 4а. Эффект изменения диаграммы направленности в вертикальной плоскости усугубляется асимметрией плеч вибратора из-за влияния спирального коаксиального фидера питания, расположенного на диэлектрических стойках вдоль поверхности нижнего плеча вибратора. Такое расположение фидера изменяет электрические параметры нижнего плеча вибратора за счет индуктивно-емкостной связи внешнего спирального проводника коаксиального фидера с цилиндрической поверхностью вибратора.
Целью предлагаемой полезной модели является повышение значений коэффициента бегущей волны (КБВ) и коэффициента усиления (КУ) в рабочем диапазоне частот радиостанции Р-620 (100-512 МГц) и уменьшение вертикальных размеров вибратора с исключением асимметрии плеч.
В основу полезной модели положено техническое решение по созданию вертикального симметричного вибратора с шунтом и спиральным коаксиальным фидером, в котором для сокращения вертикальных размеров и расширения рабочего диапазона частот предлагается придать ему укороченную Г-образную форму, а также изменить расположение спирального коаксиального фидера питания, разместив его на изоляционной части стоек ниже торца вибратора.
Поставленная цель достигается тем, что в вертикальном симметричном вибраторе с шунтом и спиральным коаксиальным фидером (патент на полезную модель №117728 от 31.01.2012 г.), коаксиальный фидер питания уложен по диэлектрическим стойкам вдоль нижнего плеча вибратора с шагом меньше диаметра спирали, а плечо вибратора установлено на изоляторах, образованных продолжением стоек, при этом длина  изоляционной части стоек определяется соотношением  проводники, образующие плечи вибратора, выполненные в виде буквы Г, установленные под углом 65° к горизонтальной поверхности фланцев и повернутые Г-образной частью к их вертикальной оси, образуют укороченную биконическую Г-образную форму, при этом часть фидера питания проложена внутри конической полости нижнего плеча, а его спиральная часть размещена на изоляционных стойках ниже торца этого плеча. Прокладка фидера питания внутри конической полости нижнего плеча вибратора и размещение его спиральной части на изоляционных стойках (изоляторах) ниже торца плеча вибратора приводят к тому, что он не шунтируется индуктивно-емкостной связью спираль-вибратор и, тем самым, исключается асимметрия верхнего и нижнего плеч, что позволяет сохранить форму диаграммы направленности в вертикальной плоскости. Также изменение цилиндрической формы плеч вибратора прототипа на укороченную биконическую Г-образную обеспечивает мало изменяющееся распределение тока в рабочем диапазоне частот, приводящее к сохранению максимума излучения вдоль горизонта см. фиг. 3б.
На фиг. 3а сплошной линией показаны диаграммы направленности вертикального симметричного вибратора модели прототипа с цилиндрическим плечами, а пунктирной линией фиг. 36 диаграммы направленности предлагаемой полезной модели - вертикального симметричного укороченного биконического Г-образного вибратора с шунтом. Из представленных диаграмм направленности видно, что диаграммы направленности предлагаемой полезной модели имеют максимум излучения вдоль горизонта до частоты 512 МГц (граница рабочего диапазона частот радиостанции Р-620).
На фиг. 4а показан КУ модели прототипа с цилиндрическими вибраторами и КУ предлагаемой полезной модели симметричного укороченного биконического Г-образного вибратора фиг. 4б.
Из сопоставления кривых 4а и 4б следует, что симметричный укороченный биконический Г-образный вибратор обеспечивает более высокие значения коэффициента усиления в заданном диапазоне частот.
На фиг. 5 приведены значения КСВ в кабеле питания с волновым сопротивлением 50 Ом - фиг. 5а модели прототипа, фиг. 5б предлагаемой полезной модели.
Из рассмотрения параметров прототипа и предлагаемой полезной модели см. фиг. 3, 4, 5 с измененной конфигурацией вибратора на укороченную биконическую Г-образную с шунтом и спиральной частью фидера питания, размещенной за пределами его нижнего плеча, очевиден положительный эффект, что подтверждается сопоставлением КУ и КСВ вибратора модели прототипа с КУ и КСВ предлагаемого технического решения. Кроме того, за счет Г-образной формы плеча биконического вибратора удается уменьшить его вертикальный размер в 1,2 раза.
Полезная модель поясняется фиг. 1 (электрическая схема) и фиг. 2 (конструктивное решение) на которых представлены вертикальный симметричный укороченный биконический Г-образный вибратор с шунтом и спиральным коаксиальным фидером питания и его составные части, где буквами и цифрами обозначены: Dmax - максимальный диаметр вибратора, 21 - длина вибратора,  - длина изолятора. Г-образная коническая часть плеча вибратора - 1, 2 - полая часть конического плеча вибратора, 3 - шунт, 4 - печатная плата, 5 - коаксиальный кабель, 6 - внешний проводник кабеля, 7 - внутренний провод кабеля, 8 - ленточный трансформатор, 9 - металлизированные участки печатной платы, 10 - фланцы плеч вибратора, 11 - опорный изолятор, 12 -диэлектрические стойки.
Предложенная полезная модель (антенна) состоит из симметричных укороченных биконических Г-образных плеч 1, которые реализуются приданием проводникам, их образующим, Г-образной формы, при этом указанные проводники установлены под углом 65° к поверхности фланцев и повернуты Г-образной частью к вертикальной оси конического плеча. Проводники плеч верхней части на 1/3 их длины отогнуты под углом 90° к образующей конуса и соединены между собой электрически. Фланцы 10, установленные на опорном изоляторе 11 электрически соединены с полыми коническими частями плеч вибратора, к которым механически и электрически подсоединена печатная плата 4. Электрическое соединение внешнего проводника 6 коаксиального кабеля питания 5 со средней точкой шунта 3 и внутреннего провода 7 кабеля питания с ленточным проводником трансформатора 8, позволило согласовать в широкой полосе частот входное сопротивление симметричного укороченного биконического Г-образного вибратора с волновым сопротивлением спирального коаксиального кабеля питания 5 см. фиг. 5.
Коаксиальный кабель питания 5, проложенный во внутренней полости конической части нижнего плеча вибратора 1 и размещенный в виде спирали на диэлектрических стойках 12, ниже его торцевой части, выполняет роль развязывающего дросселя и симметрирующего устройства одновременно. При таком расположении кабеля 5 минимизируется создаваемое им вторичное вертикально поляризованное электромагнитное поле, а также исключается асимметрия плеч 1 вибратора из-за упразднения индуктивно-емкостной связи внешнего проводника кабеля 6 коаксиального кабеля 5 с нижним Г-образным плечом 1 биконического вибратора. Кроме того, токи в отогнутых и развернутых к оси биконуса частях проводников направлены противофазно и компенсируют друг друга и не оказывают влияния на форму диаграммы направленности в вертикальной плоскости, что позволяет сохранить максимум излучения антенны вдоль горизонта в заданной полосе частот и обеспечить требуемый КУ см. фиг. 4б и фиг. 5б.