СТЕЛЮЩАЯСЯ АНТЕННА КВ ДИАПАЗОНА С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ ПИТАНИЕМ
TRAILING ANTENNA OF THE SW BAND WITH PARALLEL POWER SUPPLY

Изобретение относится к области радиотехники и, в частности, к антенной технике и может быть использовано в качестве антенны для обеспечения радиосвязи в коротковолновом (КВ) диапазоне.
Известны конструкции стелющихся антенн в качестве материала для построения полотна которых используется провод в пластиковой изоляции [1].
Известна распространенная схема стелющейся антенны в виде одного или нескольких, соединенных определенным образом симметричных вибраторов с одним источником питания, которая предлагается [2] для использования в арктической зоне. Плечи симметричных вибраторов имеют одинаковую длину и выполняются из проводника с диэлектрическим покрытием, например из провода с изоляцией, имеющего поперечные размеры, значительно меньшие, чем их длина. По центру к плечам вибратора подключается симметричный двухпроводный радиочастотный питающий кабель, который подсоединяется к приемопередающему устройству. Возможна конструкция, когда плечи вибраторов выполняются из обычного радиочастотного кабеля, однако без внешнего токонесущего проводника и оболочки. В качестве варианта диэлектрического покрытия может рассматриваться цилиндрическая воздушная полость, вдоль оси которой размещается вибратор. Наличие диэлектрической (воздушной) оболочки заметно смягчает влияние проводимости почвы в основном за счет улучшения распределения тока вдоль антенны и более рационального использования ее размеров [3].
Основными недостатками стелющейся антенны, выполненной в виде одного или нескольких симметричных вибраторов является узкий диапазон рабочих частот, низкий коэффициент усиления и наличие антенного эффекта, возникающего за счет использования симметричного питающего кабеля.
Данные недостатки частично устраняются при использовании антенны, представляющей собой вибратор с параллельным питанием. Такая антенна подвешивается на двух мачтах, а напряжение питания подводится к двум равно удаленным от середины антенны точкам. Подбором расстояния между точками питания добиваются высокой степени согласования импеданса антенны с питающим фидером [4, 5]. Однако, так как вибратор антенны выполняется из неизолированного проводника, то антенну необходимо размещать на мачтах, что существенно увеличивает габаритные размеры всего антенного устройства и не позволяет ее применять в качестве стелющейся антенны.
Известна также плоскостная, стелющаяся у поверхности земли шлейф - антенна с параллельным питанием [6], содержащая две боковые ромбические металлические секции и среднюю ромбическую металлическую секцию. Для улучшения степени согласования применены шлейфы, соединяющие секции антенны. Для устранения контакта металлических излучающих проводов с землей, секции антенны размещены в надувных подушках. Питание антенны осуществляется двумя радиочастотными кабелями.
Недостатками данной антенны являются большие поперечные размеры, необходимость применения двух кабелей для ее питания, а также влияние питающих кабелей, ухудшающее электрические характеристики антенны за счет вытекания тока на внешний проводник.
Наиболее близкой по уровню техники к заявляемому устройству является выбранная в качестве прототипа стелющаяся антенна в виде симметричного вибратора, состоящего из двух плеч одинаковой длины, выполненных из радиочастотного кабеля со снятой оболочкой и внешним проводником с одним источником питания и симметричным двухпроводным радиочастотным питающим кабелем.
Целью предлагаемого изобретения является повышение коэффициента усиления стелющейся антенны в виде симметричного вибратора с одним источником питания, одновременно с улучшением диапазонных свойств при сохранении небольших поперечных размеров, использовании одного питающего фидера, снижении его влияния на электрические характеристики антенны и устранении антенного эффекта.
С этой целью стелющаяся антенна в виде симметричного вибратора, состоящего из двух плеч, выполненных из радиочастотного кабеля со снятыми внешним проводником и оболочкой, одинаковой длины и подключенным по центру вибратора симметричным двухпроводным радиочастотным питающим кабелем, отличающаяся тем, что внешний проводник и оболочка радиочастотного кабеля сняты на расстоянии 1/3 длины антенны от концов плеч вибратора, а питание антенны осуществляется радиочастотным кабелем и подводится к двум точкам, находящимся на расстоянии ±1/6 длины антенны от середины вибратора через радиочастотные соединительные разъемы и устройство согласования и симметрирования.
Принцип работы антенны прототипа и заявляемой стелющейся антенны одинаков и заключается в следующем. В режиме передачи, по питающему радиочастотному кабелю с выхода передатчика к плечам вибраторов через радиочастотные соединительные разъемы и устройство согласования и симметрирования подводится высокочастотное питающее напряжение, под действием которого по ним протекают токи, создающие слабо направленное электромагнитное поле с максимумом излучения в зенит. В режиме приема, под воздействием падающего на плечи вибраторов электромагнитного поля в них протекают электрические токи, а создаваемое ими напряжение через радиочастотные соединительные разъемы и устройство согласования и симметрирования по радиочастотному питающему кабелю подается на приемник.
Выполнение плеч симметричного вибратора одинаковой длины из радиочастотного кабеля, с которого снимается оболочка и внешний проводник, а также применение одного питающего кабеля являются общими существенными признаками заявляемой антенны и антенны - прототипа.
Применение устройства согласования и симметрирования, позволяющего через радиочастотные соединительные разъемы запитывать заявляемую антенну радиочастотным кабелем является частным существенным отличительным признаком заявляемой антенны от антенны-прототипа. Другим частным существенным отличительным признаком является то, что оболочка и внешний проводник радиочастотного кабеля в заявляемой антенне снимаются не со всего плеча антенны, а только с концов плеч на расстояние 1/3 длины антенны, что и обеспечивает наличие двух точек питания, находящихся на расстоянии ±1/6 длины антенны от середины вибратора, т.е. заявляемая стелющаяся антенна является вибратором с параллельным питанием.
Сопоставительный анализ заявляемой антенны с антенной - прототипом показывает, что заявляемая антенна отличается наличием технического решения, ранее не использовавшегося в стелющихся антеннах, а именно усовершенствованной схемой питания, в которой напряжение питания подводится к двум точкам, расположенным на расстоянии ±1/6 длины антенны от середины вибратора. Формирование точек питания на данном расстоянии обеспечивается за счет того, что оболочка и внешний проводник радиочастотного кабеля сняты на расстоянии 1/3 длины антенны от концов плеч вибратора, а питающее напряжение подается к ним по плечам вибратора через радиочастотные соединительные разъемы и устройство согласования и симметрирования. При таком конструктивном решении в середине антенны имеет место узел потенциала и пучность тока, что обеспечивает отсутствие вытекание тока на внешний проводник фидера, и, в свою очередь, исключает искажение диаграммы направленности (ДН) при передаче и проявление антенного эффекта при приеме, т.е. достигаются цели изобретения. Другим положительным эффектом предлагаемого конструктивного решения является то, что в точке, находящейся в середине антенны она может быть закреплена без изолятора к любой опоре или может быть подключена к заземлению в районах с повышенной грозовой опасностью, при этом, заявляемая антенна имеет размеры соизмеримые с антенной-прототипом, что также обеспечивает достижение целей изобретения. Ток между точками питания вибратора по поверхности внешнего проводника кабеля распределен по закону косинуса, а по проводнику в изоляции между точками питания и концами плеч вибратора по закону синуса. Такое распределение тока по длине вибратора, и выбор расстояния между точками питания, равному 1/3 длины антенны позволяет достичь поставленной цели изобретения по повышению коэффициента усиления, одновременно с улучшением диапазонных свойств. Поэтому заявляемое решение соответствует критерию изобретения «новизна».
Сравнение заявляемого решения с антенной - прототипом показывает, что конструкция заявляемой антенны имеет принципиальные отличия от конструкции антенны - прототипа, обеспечивающие достижение целей изобретения, а именно повышение коэффициента усиления стелющейся антенны в виде симметричного вибратора с одним источником питания, одновременно с расширением рабочего диапазона волн при сохранении небольших поперечных размеров, использовании одного питающего фидера, снижении его влияния на электрические характеристики антенны и устранении антенного эффекта, что позволяет сделать вывод о соответствия заявляемого решения критерию изобретения «изобретательский уровень».
Поскольку применение стелющихся антенн, выполненных из радиочастотного кабеля со снятой оболочкой и внешним проводником известно, то это позволяет сделать вывод о возможности технической реализации заявляемого решения. Возможность технической реализации и удовлетворение заявляемой антенной предъявляемых функциональных требований к классу стелющихся антенн для радиосвязи в КВ диапазоне позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию изобретения «промышленная применимость».
На фиг. 1 схематично представлена конструкция антенны - прототипа с распределением тока вдоль плеч вибратора. На фиг. 2 схематично представлена конструкция заявляемой антенны с распределением тока вдоль плеч вибратора. Более детально конструкция заявляемой антенны представлена на фиг. 3. На фиг. 4, 5 представлены результаты расчета входного сопротивления антенны - прототипа и заявляемой антенны, а на фиг. 6, 7 - нормированных диаграмм направленности в вертикальной плоскости антенны-прототипа и заявляемой антенны, соответственно.
Как видно из фиг. 1 конструкция антенны - прототипа в виде симметричного вибратора длиной L содержит два плеча одинаковой длины L/2, выполненные из радиочастотного кабеля со снятой оболочкой и внешним проводником, и представляющие собой одиночный провод 1, помещенный в изоляцию 2 из полимера. По центру к плечам вибратора подключается симметричный двухпроводный радиочастотный питающий кабель 3, который подсоединяется к приемопередающему устройству.
Принцип реализации схемы параллельного питания симметричного вибратора длиной L представлен на фиг. 2, где схематично показано размещение двух источников по полотну вибратора заявляемой конструкции, приняты те же обозначения, что и на фиг. 1.
Более детально конструкция заявляемой антенны, представлена на фиг. 3. Стелющаяся антенна выполнена в виде симметричного вибратора длиной L, содержащего два плеча одинаковой длины, выполненные из радиочастотного кабеля, состоящего из внутреннего проводника 1 в виде одиночного провода, помещенного в изоляцию 2 из полимера, внешнего проводника 3 в виде оплетки из однородных проволок или лент и оболочки 4 из полимерного или другого диэлектрического материала. Питающий фидер, также выполненный из радиочастотного кабеля, через радиочастотный соединительный разъем 5 (вилка для крепления на кабель) подключается к радиочастотному соединительному разъему приемо-передающего устройства. Через такой же радиочастотный соединительный разъем 5, питающий фидер другим концом подключается к радиочастотному соединительному разъему 6 (розетка для крепления на корпус) устройства согласования и симметрирования 7. Плечи вибратора, имеющие радиочастотные соединительные разъемы 8 (вилка для крепления на кабель) подключаются к радиочастотным соединительным разъемам 9 (розетка для крепления на корпус) устройства согласования и симметрирования 7. В качестве устройства согласования и симметрирования может применяться трансформатор, подобный используемому в комбинированной широкополосной антенне КВ диапазона [7]. На свободные концы плеч вибратора устанавливаются защитные диэлектрические наконечники 10.
-3
В качестве примера для оценки возможности расширения диапазона частот, повышения коэффициента усиления и устранения антенного эффекта с использованием широко применяемого метода моментов [8] с учетом параметров земли проведены численные расчеты [9] входного сопротивления, коэффициента усиления и ДН антенны - прототипа и заявляемой антенны. При расчетах задавались следующие геометрические параметры антенны, плечи которой выполнены из радиочастотного кабеля РК75-4-11: длина вибратора L=36,0 м, расстояние между точками питания 12,0 м, диаметр внутреннего проводника плеч вибраторов 0,72 мм, внешний диаметр изоляции внутреннего проводника вибраторов 4,75 мм, диаметр внешнего проводника (оплетки) плеч вибраторов 5,0 мм, внешний диаметр оболочки радиочастотного кабеля 7,3 мм, высота размещения над поверхностью земли 0,25 м. Параметры земли: удельная электропроводность σ=1,2×10 См/м, относительная диэлектрическая проницаемость ε=7,0.
На фиг. 4,5 в виде графиков представлены результаты расчета входного сопротивления антенны - прототипа и заявляемой антенны. Расчеты выполнены в диапазоне частот от 2,0 до 7,5 МГц. Как видно из графиков, отношение частот соответствующим параллельным резонансам равно 1,6, соответственно, заявляемая антенна имеет полосу пропускания по входному сопротивлению в 1,6 раза больше, чем антенна-прототип.
На фиг. 6, 7 в виде графиков представлены результаты расчета нормированных диаграмм направленности в вертикальной плоскости антенны-прототипа и заявляемой антенны, соответственно. Из графиков видно, что по коэффициенту усиления заявляемая антенна в диапазоне частот от 2,0 МГц до 7,5 МГц в 2-3 раза эффективнее антенны прототипа, так как имеет более высокие, на 0,1…20 дБ значения коэффициента усиления.
Таким образом, проведенные расчеты заявляемой антенны и антенны-прототипа подтверждают, что использование стелющейся антенны с параллельным питанием (двумя точками питания) позволяет расширить полосу частот по входному сопротивлению, увеличить коэффициент усиления и устранить влияние фидера на характеристики излучения.
Источники информации
[1] Григоров И.Н. Антенны. Городские конструкции. - М.: «Советское радио», 1965. - С. 131.
[2] Николаев В.И., Сосунов Б.В., Леонюк А.С. Анализ подстилающей поверхности арктической зоны. Предложения по использованию безмачтовых антенн // Теория и техника радиосвязи. - 2016. - №1. - С. 91-95.
[3] Лавров Г.А. Приземные и подземные антенны / Г.А. Лавров, А.С. Князев. - М.: «Советское радио», 1965. - С. 267, 289, 292-297.
[4] Белоцерковский Г.Б. Основы радиотехники и антенны, часть II. Антенны. - М.: «Советское радио», 1969. - С. 131.
[5] Щелкунов С.А. Антенны: Теория и практика / С.А. Щелкунов, Г.Т. Фриис; Пер. с англ. под ред. Л.Д. Бахраха. - М.: Сов. радио, 1955. - С. 240.
[6] Патент РФ №2334317, МПК H01Q 9/00 (2006.01). Плоскостная, стелющаяся у поверхности земли шлейф - антенна / Антропов Д.А., Перфилов О.Ю., Фидельман В.Е. (Россия). - Заявлено 15.03.2007; Опубл. 20.09.2008, Бюл. №26.
[7] Красуцкий Н.М., Медведев Ю.В., Перфилов О.Ю., Челноков В.В. Комбинированная широкополосная антенна КВ диапазона // Антенны. - 2018. - Вып. 9(253). - С. 10-15.
[8] G. Burke and A. Poggio. Numerical electromagnetics code - method of moments. Technical Report UCID-18834, Lawrence Livermore National Laboratory, 1981.
[9] Медведев Ю.В., Назаров О.В., Перфилова А.Ю., Перфилов О.Ю., Челноков В.В., Шакуров Р.Ш. Стелющаяся антенна КВ диапазона с параллельным питанием // Антенны. - 2020. - Вып. 6(268). - С. 48-53.