Широкополосная антенна на основе вибратора с верхней емкостной нагрузкой

Предлагаемое устройство относится к антенной технике и может быть использовано в качестве передающей и приемной широкополосной антенны УКВ диапазона с изотропной в азимутальной плоскости диаграммой направленности.
Известна вибраторная антенна по пат. РФ 2413344, Н01Q 9/18, широкополосность которой достигается включением дополнительной индуктивности. Недостатками такого устройства являются сложности, связанные с использованием подобного способа согласования в СВЧ диапазоне и сложное конструктивное исполнение.
Известна также вибраторная антенна по пат. РФ 2589451, Н01Q 9/18, содержащая индуктивность, вибратор, электрически соединенный с одним концом этой индуктивности и представляющий собой объемный проводник, расположенный в магнитном поле индуктивности. Недостатками этой антенны являются сложность настройки, связанная с подбором величины индуктивности и конструктивная сложность.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемой является антенна по патенту РФ 2523959, Н01Q 9/18, принятая за прототип.
Схема устройства-прототипа приведена на фиг. 1, где обозначено:
1 – емкостная нагрузка;
2 – вибратор;
7 – удлиняющая катушка;
8 – трансформатор;
6 – противовес.
Устройство-прототип состоит из вибратора 2 с емкостной нагрузкой 1, выполненной из металлических прутов, согласующего устройства на основе удлиняющей катушки 7 и трансформатора 8, и противовеса 6. Емкостная нагрузка 1 электрически соединена с вибратором 2, который электрически соединен с одним концом удлиняющей катушки 7, выполненной на замкнутом сердечнике магнитопровода. Второй конец удлиняющей катушки 7 электрически соединен с одним концом вторичной обмотки трансформатора 8, другой конец вторичной обмотки которого электрически соединен с противовесом 6.
Устройство-прототип работает следующим образом.
Питание антенны осуществляется через первичную обмотку трансформатора 8. Полное сопротивление электрически малой антенны, образуемой вибратором 2 с емкостной нагрузкой 1 и противовесом 6, состоит из сопротивления излучения, сопротивления потерь и реактивного сопротивления, носящего емкостной характер. Емкостная нагрузка 1 способствует более равномерному распределению тока по вибратору 2, уменьшая емкостную составляющую в полном сопротивлении электрически малой антенны.
Сопротивление излучения будет тем больше, чем ближе длина вибратора к четверти длины волны. Сопротивление потерь будет тем меньше, чем меньше омическое сопротивление вибратора 2 на используемой радиочастоте, и чем ближе противовес 6 к идеально проводящей бесконечной плоскости. Индуктивность удлиняющей катушки 7 компенсирует емкостную составляющую в полном сопротивлении электрически малой антенны, при этом дополнительно возникают потери, состоящие из потерь на омическом сопротивлении обмотки и потерь в сердечнике. Трансформатор 8 трансформирует суммарное активное сопротивление, состоящее из сопротивления излучения электрически малой антенны, сопротивления потерь в электрически малой антенне и сопротивления потерь в удлиняющей катушке 7, в номинальное сопротивление приемника, передатчика или приемопередатчика, используемого совместно с антенной.
Недостатками устройства-прототипа является значительное сужение полосы пропускания антенны при уменьшении ее линейного размера вследствие необходимости увеличения добротности согласующего устройства для сохранения эффективности излучения.
Задачей предлагаемого устройства является расширение рабочей полосы частот при сохранении компактности антенны.
Для решения поставленной задачи в антенну, содержащую вибратор, электрически соединенный с емкостной нагрузкой и противовесом, согласно полезной модели, введены первый и второй изоляторы, между которыми закреплено дополнительное плечо вибратора, при этом вибратор и дополнительное плечо вибратора частично помещены в первый изолятор, а второй изолятор закреплен на основании-противовесе.
На фиг. 2 представлена схема предлагаемого устройства, где обозначено:
1 – емкостная нагрузка;
2 – вибратор;
2.1 – точка соединения центрального проводника с вибратором;
3, 5 – первый и второй изоляторы;
4 – дополнительное плечо вибратора;
4.1 – точка соединения оплетки с дополнительным плечом вибратора;
5 – второй изолятор;
6 – противовес.
Предлагаемое антенное устройство содержит емкостную нагрузку 1, выполненную в форме металлического диска, электрически соединенного с вибратором 2, нижняя часть которого помещена в первый изолятор 3, в который также помещено дополнительное плечо вибратора 4, установленное на втором изоляторе 5, закрепленном на противовесе 6. Вибратор 2 может быть выполнен из любого электрически проводящего материала в произвольной форме, обеспечивающей достаточную конструктивную прочность, например, в форме цилиндра.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Питание антенны осуществляется коаксиальным кабелем (на фиг. 2 не изображен), центральный проводник которого соединен с вибратором 2 в точке 2.1, а оплетка соединена с дополнительным плечом вибратора 4 в точке 4.1. Емкостная нагрузка 1 способствует более равномерному распределению тока по вибратору 2, уменьшая емкостную составляющую в полном сопротивлении антенны. Конструктивную прочность антенны вблизи точек 2.1 или 4.1 обеспечивает первый изолятор 3, выполненный из диэлектрического материала. Дополнительная емкостная связь плеча вибратора 4 и противовеса 6 обеспечивается через второй изолятор 5, что способствует равномерному распределению тока по дополнительному плечу вибратора 4. Второй изолятор 5 может быть выполнен из диэлектрического материала с малыми потерями, тип которого выбирается в зависимости от требуемых параметров антенны. Согласование в интересующей полосе частот достигается главным образом выбором места расположения емкостной нагрузки 1 на поверхности вибратора 2, выбором материала и геометрических параметров второго изолятора 5 и геометрических размеров и конфигурации вибратора 2 и плеча вибратора 4. Несмотря на отсутствие симметрирующего устройства, в предлагаемой полезной модели достигается хорошее согласование в полосе с частотным перекрытием порядка 4,5. Однако, при необходимости дополнительного расширения рабочей полосы частот, конструкция антенны позволяет разместить дополнительные симметрирующее и согласующее устройства внутри дополнительного плеча вибратора 4. Такое решение позволяет расширить возможный частотный диапазон антенны, сохранить ее линейные размеры и защитить дополнительные устройства согласования и симметрирования от внешних воздействий. В качестве противовеса 6 могут выступать проводящие плоскости, например крыша автомобиля.
Таким образом, по сравнению с прототипом, предлагаемое устройство позволяет достичь большой широкополосности, поскольку отсутствует ограничение, вносимое добротностью согласующего устройства; не требует сложной настройки, что облегчает внедрение в массовое производство. Кроме того, в отличие от прототипа, необходимость использования симметрирующих и согласующих устройств отсутствует благодаря введению дополнительного плеча вибратора 4 и наличию емкостной связи между ним и противовесом 6 через второй изолятор 5. То есть, антенна имеет возможность питания коаксиальным кабелем напрямую, однако при необходимости дополнительного расширения рабочей полосы частот конструкция антенны легко позволяет разместить согласующее устройство, например, внутри дополнительного плеча вибратора 4.