Низкопрофильная антенна

Полезная модель относится к антенной технике и предназначена для использования в качестве приемно-передающей бортовой антенны беспилотных летательных аппаратов в системах связи метрового, дециметрового и сантиметрового диапазонов.
Известна низкопрофильная укороченная антенна для беспилотных летательных аппаратов, содержащая электрически короткий монополь, установленный вертикально по центру между двумя тонкими металлическими дисками разного диаметра, а также Г-образный металлический тонкий цилиндра для питания антенны (Патент RU 177950 U1).
Недостатком такой антенны является невозможность перестройки рабочей частоты без замены конструктивных элементов, а также низкий коэффициент полезного действия.
Из уровня техники известна низкопрофильная антенна, работающая в нескольких частотных диапазонах, содержащая электрически короткий монополь, установленный вертикально по центру между двумя тонкими металлическими дисками разного диаметра и два двухполюсника, к которым подключено питание антенны (Патент RU 2220481 С2).
Недостатком такого решения является усложнение конструкции и ухудшение технологичности производства за счет введения в состав антенны сосредоточенных элементов.
Известна низкопрофильная антенна (Патент US 5181044). Устройство содержит Г-образный электрически короткий монополь, установленный вертикально по центру между двумя тонкими металлическими дисками разного диаметра, к которому подключено питание антенны.
Недостатком такого решения является невозможность перестройки рабочей частоты без замены конструктивных элементов.
Наиболее близким по совокупности существующих признаков к предлагаемому устройству является низкопрофильная антенна (Антонов А.С., Антонов Ю.Г., Балландович С.В., Сугак М.И. Низкопрофильная антенна для БПЛА // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2013. №6. С. 3-7.). Устройство содержит два соосно расположенных металлических диска разных диаметров с коротким электрическим монополем, установленным между ними по центру, причем диаметр меньшего диска определяется требуемым уровнем согласования и рабочей частотой антенны, а также коаксиальный радиочастотный разъем, соединенный внешним проводником с металлическим диском большего диаметра, а внутренним проводником - с металлическим диском меньшего диаметра, и расположенный на расстоянии от короткого металлического монополя, определяющимся требуемым уровнем согласования и рабочей частотой антенны.
Преимуществом прототипа является низкопрофильность конструкции.
Недостатком прототипа является невозможность перестройки рабочей частоты без замены конструктивных элементов.
Задачей предлагаемой полезной модели является возможность перестройки рабочей частоты антенны без замены конструктивных элементов при сохранении характеристик устройства.
Поставленная задача решается за счет того, что заявленное устройство, так же как и известное содержит два соосно расположенных металлических диска разных диаметров с коротким электрическим монополем, установленным между ними по центру, причем диаметр меньшего диска определяется требуемым уровнем согласования и рабочей частотой антенны, а также коаксиальный радиочастотный разъем, соединенный внешним проводником с металлическим диском большего диаметра, а внутренним проводником - с металлическим диском меньшего диаметра, и расположенный на расстоянии от короткого металлического монополя, определяющимся требуемым уровнем согласования и рабочей частотой антенны. Но, в отличие от известного, в предлагаемой низкопрофильной антенне по периметру металлического диска меньшего диаметра выполнены одинаковые вырезы, направленные по радиусам, количество, глубина и ширина которых определяется рабочей частотой антенны.
Достигаемым техническим результатом является возможность перестройки рабочей частоты антенны без замены конструктивных элементов при сохранении характеристик устройства.
Технический результат достигается за счет выполнения по периметру металлического диска меньшего диаметра одинаковых вырезов, направленных по радиусам, глубина и ширина которых определяется рабочей частотой антенны. При выполнении вырезов в диске меньшего диаметра образуются линии сгиба, концы которых совпадают с концами вырезов. При единовременном сгибании внешних частей диска меньшего диаметра осуществляется перестройка по частоте.
Полезная модель иллюстрируется 8 чертежами.
Фиг. 1. Схема предлагаемой низкопрофильной антенны - вид сбоку и сверху.
Фиг. 2. Вид сверху низкопрофильной антенны - прототипа.
Фиг. 3. Частотные зависимости S11 предлагаемой низкопрофильной антенны и низкопрофильной антенны прототипа.
Фиг. 4. Диаграммы направленности в горизонтальной плоскости предлагаемой низкопрофильной антенны и низкопрофильной антенны прототипа.
Фиг. 5. Вид сборку предлагаемой низкопрофильной антенны при сгибе внешних частей диска меньшего диаметра на угол ϕ=5°.
Фиг. 6. Вид сборку предлагаемой низкопрофильной антенны при сгибе внешних частей диска меньшего диаметра на угол ϕ=10°.
Фиг. 7. Частотные зависимости S11 предлагаемой низкопрофильной антенны при различных углах сгиба внешних частей диска меньшего диаметра ϕ.
Фиг. 8. Диаграммы направленности в горизонтальной плоскости предлагаемой низкопрофильной антенны при различных углах сгиба внешних частей диска меньшего диаметра ϕ.
На чертежах введены следующие обозначения:
1 - коаксиальный радиочастотный разъем.
2 - внешний проводник радиочастотного разъема.
3 - металлический диск большего диаметра.
4 - внутренний проводник коаксиального радиочастотного разъема.
5 - металлический диск меньшего диаметра.
6 - вырезы, направленные по радиусам в металлическом диске меньшего диаметра.
7 - электрически короткий монополь.
8 - металлического диска меньшего диаметра.
9 - внешние части металлического диска меньшего диаметра.
10 - частотная зависимость S11 предлагаемой низкопрофильной антенны.
11 - частотная зависимость S11 низкопрофильной антенны прототипа.
12 - диаграмма направленности в горизонтальной плоскости предлагаемой низкопрофильной антенны.
13 - диаграмма направленности в горизонтальной плоскости низкопрофильной антенны прототипа.
14 - частотная зависимость S11 предлагаемой низкопрофильной антенны при угле сгиба внешних частей диска меньшего диаметра ϕ=0°.
15 - частотная зависимость S11 предлагаемой низкопрофильной антенны при угле сгиба внешних частей диска меньшего диаметра ϕ=5°.
16 - частотная зависимость S11 предлагаемой низкопрофильной антенны при угле сгиба внешних частей диска меньшего диаметра ϕ=10°.
17 - диаграмма направленности в горизонтальной плоскости предлагаемой низкопрофильной антенны при угле сгиба внешних частей диска меньшего диаметра ϕ=0°.
18 - диаграмма направленности в горизонтальной плоскости предлагаемой низкопрофильной антенны при угле сгиба внешних частей диска меньшего диаметра ϕ=5°.
19 - диаграмма направленности в горизонтальной плоскости предлагаемой низкопрофильной антенны при угле сгиба внешних частей диска меньшего диаметра ϕ=10°.
Антенна работает следующим образом.
Коаксиальный радиочастотный разъем 1 (фиг. 1), подключенный внешним проводником 2 к металлическому диску большего диаметра 3, а внутренним проводником 4 - к металлическому диску меньшего диаметра 5 с выполненными в нем вырезами 6, направленными по радиусам, возбуждает электромагнитное поле. При этом металлический диск большего диаметра 3 выполняет роль ограниченной по площади «земли», а металлический диск меньшего диаметра 5 с выполненными в нем вырезами 6 - емкостной торцевой нагрузки электрически короткого монополя 7. Подключение коаксиального радиочастотного разъема 1, таким образом, соответствует случаю шунтового питания. В этом случае удается увеличить вещественную часть входного сопротивления до десятков Ом, причем механическая прочность обеспечивается прочным центральным проводящим элементом - электрически коротким монополем. При единовременном сгибании по линиям 8 внешних частей 9 металлического диска меньшего диаметра 5 за счет изменения геометрии металлического диска изменяется и характер емкостной торцевой нагрузки, что, в свою очередь, приводит к изменению рабочей частоты низкопрофильной антенны.
0
0
0
0
0
Работа устройства подтверждается результатами электродинамического моделирования предлагаемой низкопрофильной антенны (фиг. 1), а также сравнением ее характеристик с низкопрофильной антенной прототипом (фиг. 2). Электрический диаметр металлического диска, выполняющего роль «земли» у обеих антенн составил 0.43λ, электрический диаметр металлического диска - емкостной торцевой нагрузки - 0.27λ, высота электрически короткого вибратора - 0.043λ, λ соответствует рабочей частоте f, входное сопротивление фидера - 50 Ом. Количество вырезов в металлическом диске меньшего радиуса предлагаемой низкопрофильной антенне - 8, их глубина - 8 мм, ширина - 0.5 мм.
Из приведенных частотных зависимостей S11 (фиг. 3) и диаграмм направленности в горизонтальной плоскости на рабочей частоте (фиг. 4) следует, что введение по периметру металлического диска меньшего диаметра одинаковых вырезов, направленных по радиусам, не оказало существенного влияния на характеристики антенны.
Возможность перестройки рабочей частоты предлагаемой низкопрофильной антенны при изменении угла сгиба внешних частей диска меньшего диаметра ϕ, на примере ϕ=5° (Фиг. 5.) и ϕ=10° (фиг. 6) показана на фиг. 7-8, где приведены соответствующие частотные зависимости S11 и диаграммы направленности в горизонтальной плоскости на рабочих частотах. Видно, что при перестройке частоты неравномерность диаграммы направленности остается в пределах 0.55 дБ, при требуемом уровне согласования антенны с фидером.
Таким образом, показана достижимость технического результата - возможность перестройки рабочей частоты антенны без замены конструктивных элементов при сохранении характеристик устройства.