Вибраторная антенна
VIBRATOR ANTENNA

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к области вибраторных антенн, и может применяться в качестве приемопередающих антенн для использования в радиотехнических системах различного назначения, в том числе в судовых системах радиосвязи.
Известна вибраторная антенна (см. Antenna engineering handbook. Fourth edition. Dr. John L. Volakis. 2007 г., p. 37-14, fig. 37-15d), содержащая металлический экран, над которым соосно и перпендикулярно ему установлен несимметричный вибратор, выполненный в виде металлической пластины прямоугольной формы с полукруглой нижней частью, вершина которой соединена с центральным проводником коаксиальной линии, внешний проводник которой соединен с металлическим экраном.
Недостатком указанного устройства является эллипсоидная форма с неравномерностью до 4dB диаграммы направленности в горизонтальной плоскости и недостаточно широкий рабочий диапазон частот.
Среди известных технических решений, наиболее близким к заявленному устройству, является вибраторная антенна, выбранная в качестве прототипа (Пат. РФ №2679487, опубл. 11.02.2019). Антенна содержит первый и второй металлические экраны, над первым из которых соосно и перпендикулярно ему установлен несимметричный вибратор, выполненный в виде идентичных, первой и, перпендикулярно размещенной ей, второй, металлических пластин прямоугольной формы. К верхним концам металлических пластин прикреплен второй металлический экран, а полукруглая нижняя часть пластин вибратора вершинами соединена с центральным проводником коаксиальной линии, внешний проводник которой соединен с первым металлическим экраном.
Недостатком прототипа является недостаточно высокая механическая надежность конструкции из-за крепления утяжеленного вибратора на одном проходном изоляторе, и недостаточно расширенный рабочий диапазон частот.
Задачей настоящего технического решения является создание вибраторной антенны повышенной механической и электрической надежности, обладающей улучшенным качеством приема-передачи информации.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении механической прочности конструкции антенны, улучшении формы диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, увеличении рабочего диапазона частот.
mах
Для достижения технического результата в вибраторной антенне, содержащей первый и второй металлические экраны, между которыми установлен несимметричный вибратор, выполненный в виде двух одинаковых металлических пластин прямоугольной формы с полукруглой нижней частью и установленных соосно и перпендикулярно друг другу и обоим экранам, вершины полукруглых нижних частей пластин соединены с центральным проводником коаксиальной линии, внешний проводник коаксиальной линии соединен с первым металлическим экраном, второй металлический экран прикреплен к верхним концам обеих пластин, дополнительно оба экрана соединены между собой кромками в точках, образующихся на пересечении кромок экранов с линией продолжения плоскости пластин, изогнутыми проводниками, выполненными из двух равных частей, при этом точки соединения частей проводников расположены в плоскости металлических пластин и вынесены от линии соединения точек кромок обоих экранов вовне антенны на расстояние, соизмеримое с 0,1 λ.
mах
Благодаря тому, что дополнительно оба экрана соединены между собой кромками в точках, образующихся на пересечении кромок экранов с линией продолжения плоскости пластин, изогнутыми проводниками, выполненными из двух равных частей, при этом точки соединения частей проводников расположены в плоскости металлических пластин и вынесены от линии соединения точек кромок обоих экранов вовне антенны на расстояние, соизмеримое с 0,1 λ, достигается указанный технический результат.
Промышленная применимость заявленного технического решения усматривается в сравнительной простоте изготовления, тиражирования и эксплуатации, в возможности выбора версий для адаптации по местам установки и согласования с питающими фидерами, в повышенной конструктивной механической и электрической надежности, в возможности использования в качестве судового средства связи на промышленной основе и конкурентоспособном уровне.
Предлагаемая вибраторная антенна иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-3.
На фиг. 1 схематично представлен общий вид биконической антенны, на фиг. 2 - диаграмма направленности в горизонтальной и вертикальной плоскости вибраторной антенны с основными электрическими характеристиками; на фиг. 3 - график изменения коэффициента стоячей волны в рабочем диапазоне антенны, отражающий ее согласование с 50-Омным коаксиальным кабелем питания;
mах
Вибраторная антенна (фиг. 1) содержит первый металлический экран 1 и второй металлический экран 2. Между экранами 1 и 2 соосно и перпендикулярно им обоим установлен несимметричный вибратор 4. Вибратор 4 выполнен в виде одинаковых металлических пластин 5, 6 прямоугольной формы с полукруглой нижней частью. Пластины 5, 6 установлены относительно друг друга соосно и перпендикулярно. К верхним концам пластин 5 и 6 прикреплен второй металлический экран 2, а полукруглая нижняя часть пластин 5, 6 вибратора 4 вершинами соединена с центральным проводником коаксиальной линии 7, внешний проводник которой соединен с первым металлическим экраном 1. Дополнительно металлические экраны 1, 2 соединены друг с другом соединительными проводниками 8 между точками кромок 9 и 10 соответственно экранов 1 и 2. Точки 9 и 10 находятся на линиях 11 и 12 пересечения экранов 1 и 2 с продолжениями плоскостей расположения металлических пластин 5 и 6. Каждый проводник 8 выполнен из двух равных составных частей 13 и 14, которые обеспечивают внешний вынос точек 15 соединения частей проводников 13 и 14 в плоскости расположения металлических пластин 5, 6 от прямой линии 16, соединяющей точки кромок 9 и 10, на расстояние , соизмеримое с 0,1 λ (фиг. 1).
Вибраторная антенна работает следующим образом. Высокочастотный сигнал, подключенный к антенне питающим фидером с центральным проводником коаксиальной линии 7, возбуждает токи в первой 5 и второй 6 металлических пластинах вибратора 4 с первым металлическим экраном 1 (фиг. 1), за счет которых происходит формирование в пространстве электромагнитного поля с практически круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости (фиг. 2). Подключение коаксиальной линии осуществляется соединением полукруглых нижних частей пластин 5 и 6 вибратора 4 при соединении вершин с центральным проводником коаксиальной линии 7, внешний проводник которой соединен с первым металлическим экраном 1. Металлический экран 2 выполняет роль емкостной нагрузки на верхнем конце несимметричного вибратора 4, за счет которой происходит компенсация реактивной составляющей входного сопротивления антенны. Первый 1 и второй 2 металлические экраны соединены друг с другом соединительными изогнутыми проводниками 8 между точками кромок 9 и 10 этих экранов, образуя электрические шунты, позволяющие изменять входное сопротивление антенны и регулировать ширину полосы рабочих частот (фиг. 3). При этом каждый проводник 8 состоит из двух равных составных частей 13 и 14, обеспечивающих внешний вынос точки соединения 15 частей проводников 13 и 14 в плоскости расположения металлических пластин от прямой линии 16, соединяющей точки кромок 9 и 10, на расстояние , соизмеримое с 0,1λmах. Благодаря этому диаграмма направленности в вертикальной плоскости вытягивается вдоль горизонтальной плоскости (фиг. 2). Кроме того, вектор суммарного тока вертикально ориентирован, что обеспечивает работу шунта и в качестве директора, влияющего на превалирующее формирование диаграммы направленности в горизонтальной плоскости (фиг. 2). Помимо этого, проводники 8 повышают механическую прочность конструкции и обеспечивают защиту от статического напряжения, а также грозозащиту, разгружая изолятор электрической развязки вибратора 4 от первого металлического экрана 1. Элементы вибраторной антенны в зависимости от рабочего диапазона частот могут быть выполнены и в скелетных вариантах, как это показано на исследованных конструкциях версий.
Результаты компьютерного моделирования в программе MMANA-GAL (фиг. 2, 3) полностью подтверждают теоретические предпосылки использования шунтов, что отражает анализ работы вибраторной антенны. Предложенное техническое решение антенного устройства обеспечивает круговую диаграмму направленности (фиг. 2). Соотношение и уровень коэффициентов усиления и защитного действия подтверждают эффективность работы антенны, а график изменения коэффициента стоячих волн дополняет подтверждение повышенной эффективности (фиг. 3). Для использования в радиотехнических системах различного назначения, в том числе в судовых системах радиосвязи, в дециметровом и метровом диапазоне радиоволн вибраторная антенна может быть полностью реализована в скелетном исполнении из проволочных элементов одного сортамента ажурной конструкцией повышенной надежности от внешних воздействий. Таким образом, использование технического решения заявляемой вибраторной антенны обеспечивает как улучшение формы диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, так и ее синтез в горизонтальной плоскости. Нестандартное использование шунтов повышает эксплуатационно-технические характеристики за счет увеличения конструктивной надежности и обеспечивает возможность настройки при согласовании с коаксиальной линией и увеличение рабочего диапазона частот.