Сверхширокополосная антенна
ULTRA-WIDEBAND ANTENNA

Изобретение относится к сверхширокополосным антеннам с вертикальной поляризацией и круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости, которые могут использоваться в качестве передающих и приемных антенн портативных, носимых, возимых и базовых радиостанций.
Известны следующие принципы построения сверхширокополосных антенн с круговой диаграммой направленности:
- в основании антенны, имеющей единственный излучатель, располагается широкополосное согласующее устройство, которое обеспечивает согласование антенны во всем диапазоне рабочих частот;
- согласование в широкой полосе частот обеспечивается формой излучателя. Например, излучатель выполняется в виде конуса или сочетания конуса с цилиндром, диском и т.д.
max
min
Антенны с единственным излучателем и широкополосным согласующим устройством в основании имеют значительные потери в согласующем устройстве, особенно в верхней части диапазона частот. Кроме того, диаграммы направленности в вертикальной плоскости у таких антенн в области верхних частот дробятся на несколько лепестков, образуя «провалы» по коэффициенту усиления в горизонт, особенно при больших коэффициентах перекрытия по частоте (f : f более чем 3:1). Это происходит из-за избыточной длины излучателя по сравнению с половиной длины волны для верхней части диапазона, поскольку в излучателе появляются участки с противофазными токами.
Построенные по второму принципу антенны характеризуются коэффициентом перекрытия по частоте не более 3 без дробления диаграммы направленности в вертикальной плоскости на несколько лепестков.
Еще одним недостатком данных антенн является увеличенный диаметр излучателя, который соизмерим с четвертью длины волны на нижней границе диапазона, что не позволяет применять их для портативных и носимых радиостанций в диапазоне частот от ДМВ1 и ниже.
Для примера можно привести следующие антенны фирмы TRIVAL ANTENE (Словения).
у
Антенна AD-25/CW-3512, работающая в диапазоне частот от 30 до 512 МГц, содержащая единственный излучатель и широкополосное согласующее устройство в основании. При длине 1,16 м она обеспечивает коэффициент усиления (К) от -17 до 0 дБи в рабочем диапазоне частот. Такие характеристики подтверждают наличие значительных потерь в согласующем устройстве и дробления лепестков диаграммы направленности.
у
у
Антенна AD-64/А, работающая в диапазоне от 225 до 2000 МГц, согласована формой излучателя. При длине 625 мм и диаметре 30 мм ее К в рабочем диапазоне также невысок, от -13 до 0 дБи. Снижение К при таком построении антенны обусловлено «провалами» в диаграмме направленности в горизонт на высокочастотной части диапазона, что подтверждают приведенные изготовителем графики.
Известны широкополосные антенны с нескольким излучателями. В частности, в патенте США US 8378913, 19.02.2013 раскрыта конструкция антенны, имеющей высокочастотный (ВЧ) излучатель и расположенный над ним низкочастотный (НЧ) излучатель. ВЧ излучатель содержит два электрически связанных между собой полых цилиндра, а также проводник, проходящий внутри цилиндров, связанный с центральным проводником кабеля. НЧ излучатель содержит третий полый цилиндр, в котором проходит проводник, соединенный с оплеткой кабеля. Данная антенна выбрана в качестве наиболее близкого аналога заявляемого устройства.
Недостатком ближайшего аналога является сложность конструкции, а также недостаточно высокий коэффициент усиления.
Задачей изобретения является создание сверхширокополосной антенны с максимально возможным коэффициентом перекрытия по частоте, при этом имеющей более высокий коэффициент усиления в направлении горизонта по сравнению с существующими аналогами и тем самым обеспечивающей увеличенную дальность радиосвязи в более широком диапазоне частот.
Технический результат изобретения заключается в значительном расширении полосы рабочих частот (до диапазона от 30 до 3000 МГц), увеличении коэффициента усиления (до значений от -8 до +4 дБи во всей полосе рабочих частот при длине антенны 1,15 м), а также упрощении конструкции.
Указанный технический результат достигается в конструкции сверхширокополосной антенны за счет того, что она содержит держатель, в котором размещен отрезок кабеля, проводник, соединенный с центральным проводником кабеля, полый цилиндр, соединенный с оплеткой кабеля и размещенный коаксиально вокруг проводника, высокочастотный излучатель, соединенный с проводником, низкочастотный излучатель, расположенный над высокочастотным излучателем, и автотрансформатор, имеющий вход, подключенный к проводнику, общий вывод, подключенный к полому цилиндру, и выход, подключенный к низкочастотному излучателю.
Кроме того, предусмотрены частные варианты реализации изобретения, согласно которым:
- общий вывод автотрансформатора подключен к полому цилиндру на середине его длины посредством изолированного проводника;
- вход автотрансформатора подключен к проводнику в точке его соединения с высокочастотным излучателем;
- выход автотрансформатора подключен к низкочастотному излучателю посредством тонкого проводника, проложенного на расстоянии 10-15 мм от высокочастотного излучателя;
- отрезок кабеля имеет волновое сопротивление 75 Ом;
- низкочастотный и высокочастотный излучатели выполнены в виде металлических пластин.
Изобретение поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 схематично показан возможный вариант конструкции предлагаемой антенны;
на фиг. 2 схематично показана конструкция автотрансформатора антенны.
Согласно изобретению, заявленная антенна имеет два излучателя: первый излучатель (1) большей длины, работающий в низкочастотной части диапазона (далее - низкочастотный излучатель), и второй излучатель (2) меньшей длины, работающий в высокочастотной части диапазона (далее - высокочастотный излучатель). При этом антенна включает высокочастотный разъем (3), к которому присоединен отрезок кабеля (4). Предпочтительно, указанный кабель (4) имеет волновое сопротивление 75 Ом для работы согласующего устройства (СУ). Кабель (4) проложен внутри гибкого держателя (5), выполненного из металла. Оплетка (6) кабеля (4) соединена с полым цилиндром (7), размещенным вертикально над кабелем (4). При этом центральный проводник (жила) (8) кабеля соединен с проводником (9), размещенным коаксиально внутри цилиндра (7). Высокочастотный излучатель (2) подсоединен к верхнему концу проводника (9).
Цилиндр (7) и проводник (9) образуют коаксиальную линию с волновым сопротивлением, предпочтительно, 150 Ом. При этом система из отрезка кабеля (4). цилиндра (7) и проводника (9) образует двухступенчатый коаксиальный трансформатор импеданса, являющийся согласующим устройством (СУ) для высокочастотного излучателя (2).
Низкочастотный излучатель (1) расположен вертикально над высокочастотным излучателем (2) и связан с полым цилиндром (7) через автотрансформатор (10), представляющий собой согласующее устройство для низкочастотного излучателя (1).
Автотрансформатор (10) (фиг. 2) содержит соединенные между собой первичную (11) и вторичную (12) обмотки и сердечник (не показан). В качестве примера первичная обмотка (11) имеет 2,5 витка провода 0,45 мм, вторичная обмотка (12) - 5 витков такого же провода, а сердечник выполнен в виде ферритового кольца типа 30 ВН.
Вход (13) автотрансформатора (10) подключен посредством соединительного проводника (14) к проводнику (9) в области его соединения с высокочастотным излучателем (2). Общий вывод (15) (точка соединения обмоток (11) и (12)) автотрансформатора (10) подключен посредством изолированного проводника (16) к полому цилиндру (7) на середине его длины. Такое подключение, вместе с оптимально выбранной длиной цилиндра (7) (предпочтительно 150-170 мм), исключает влияние коаксиального трансформатора импеданса на низкочастотную часть антенны. Выход (17) автотрансформатора (10) подключен к низкочастотному излучателю (1) посредством тонкого проводника (18), проложенного, как правило, на расстоянии 150-170 мм от высокочастотного излучателя (9) для уменьшения взаимного влияния низкочастотной и высокочастотной цепей антенны.
Низкочастотный (1) и высокочастотный (2) излучатели, предпочтительно, представляют собой прямоугольные металлические пластины.
Использование в заявленном изобретении двух излучателей уменьшает дробление лепестков диаграммы направленности в горизонт, что обеспечивает повышение коэффициента усиления антенны. При этом наличие у каждого из излучателей своего согласующего устройства описанной конфигурации обеспечивает упрощение конструкции и уменьшает потери в СУ, поскольку каждое СУ работает в более узкой полосе частот.