МАЛОГАБАРИТНАЯ ВИБРАТОРНАЯ АНТЕННА СИСТЕМ СЕТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В ДИАПАЗОНАХ СРЕДНИХ И ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ВОЛН

Полезная модель относится к антенной технике и может быть использована для создания малогабаритных приемопередающих антенн для средств связи на подвижных объектах.
Известно, что для эффективного излучения электромагнитных волн, габаритные размеры антенн должны быть соразмерны с длиной волны. Применение полноразмерных антенн на подвижных объектах в диапазонах средних волн (СВ) и промежуточных волн (ПВ) технически невозможно в силу больших габаритных размеров.
Известно применение на подвижных объектах укороченных вибраторных антенн с габаритными размерами значительно меньше, чем четверть длины волны для систем связи KB диапазона. Достоинством их является простота конструкции и возможность применения на подвижных объектах.
При длине вибратора, меньшей, чем одна четверть длины волны импеданс антенны носит емкостный характер. Как известно, антенна является согласованной в том случае, когда активная составляющая ее входного импеданса равна выходному сопротивлению передатчика, а реактивная составляющая входного импеданса равна нулю. Для компенсации реактивной составляющей применяется удлиняющая катушка. Как следствие, недостатком укороченных вибраторных антенн для СВ-ПВ диапазонов является узкая полоса пропускания, определяемая необходимостью применения удлиняющей катушки с большой величиной индуктивности.
Известна конструкция малогабаритных антенн с применением излучающих емкостных элементов и согласующих катушек индуктивности [Патент США US 6956535, МПК H01Q 9/18, опубл. 18.10.2005], содержащая емкостной элемент в виде двух соосно расположенных цилиндрических токопроводящих поверхностей и катушку индуктивности.
Данная конструкция обладает следующими недостатками:
- применение цилиндрического излучателя, соразмерного с вибратором, вместо плоского противовеса приводит к уменьшению контурной емкости антенны, в результате чего уменьшается полоса пропускания антенны, нижний цилиндрический излучатель антенны работает как противовес, поскольку он подключен к заземленному экрану питающего коаксиального кабеля, а верхний излучающий цилиндр при этом работает как вибратор электрической малой антенны;
- использование противовеса малых размеров приводит к уменьшению коэффициента полезного действия антенны и увеличивает влияние свойств поверхности земли на диаграмму направленности антенны;
- осложнен процесс перестройки антенны в частотном диапазоне.
Известна конструкция малогабаритных антенн с применением укороченного вибратора и согласующего трансформатора, выполненного на незамкнутом магнитопроводе [Патент РФ №2413344, МПК H01Q 9/18, опубл. 27.02.2011], содержащая укороченный вибратор и согласующее устройство в виде трансформатора, выполненного на незамкнутом магнитопроводе.
Данная конструкция обладает следующими недостатками:
- малые размеры вибратора требуют компенсации в согласующем устройстве большой емкостной составляющей импеданса антенны и применения удлиняющей катушки с большой величиной индуктивности, что сужает полосу пропускания антенны;
- отсутствие противовеса приводит к тому, что любое изменение расположения окружающих предметов будет приводить к изменению резонансной частоты и рассогласованию антенны, а диаграмма направленности, коэффициент полезного действия и коэффициент стоячей волны будут изменяться при перемещении питающего кабеля и радиоаппаратуры;
- применение единого согласующего элемента для согласования реактивной и активной составляющих входного импеданса антенны усложняет процесс настройки.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является конструкция антенны с вертикальным вибратором с емкостной нагрузкой [Патент РФ №2523959, МПК H01Q 9/18, опубл. 27.07.2014], содержащая вибратор, согласующее устройство, состоящее из удлиняющей катушки и трансформатора и противовеса.
Данная конструкция обладает следующими недостатками:
- емкостная нагрузка на конце вибратора улучшает распределение тока в вибраторе и способствует уменьшению емкостной составляющей антенны в ограниченных пределах, недостаточных для расширения полосы пропускания;
- для перестройки антенны потребуется изменение величины индуктивности удлиняющей катушки, что при выполнении ее на замкнутом магнитопроводе затруднительно;
- высокая ветровая нагрузка на основание вибратора при движении транспортного средства, на котором установлена антенна, ограничивает высоту вибратора антенны, в результате чего уменьшается полоса пропускания и уменьшается коэффициент полезного действия антенны.
Техническим результатом полезной модели является увеличение полосы пропускания вибраторной антенны в заданном частотном диапазоне перестройки антенны.
Технический результат достигается тем, что в вибраторной антенне, содержащей вибратор, противовес, согласующее устройство, состоящее из удлиняющей катушки и трансформатора, согласно заявляемому техническому решению, удлиняющая катушка выполнена на диэлектрическом каркасе, внутрь которого введен электрод, образующий вместе с витками удлиняющей катушки добавочную емкость и установленный с возможностью перемещения вдоль оси катушки.
Сущность полезной модели поясняется чертежом (фиг. 1), на котором приведена конструкция перестраиваемой вибраторной антенны с удлиняющей катушкой и электродом, на фиг. 2 представлена электрическая схема предлагаемой перестраиваемой вибраторной антенны.
Вибраторная антенна состоит из вибратора 1, согласующего устройства на основе удлиняющей катушки 2, внутрь которой введен электрод 3, образующий совместно с витками катушки 2 и материалом ее каркаса 4 конденсатор. Вибратор 1 может быть выполнен из любого проводящего материала в произвольной форме, обеспечивающей наибольшую прочность. Вибратор 1 электрически соединен с первым концом удлиняющей катушки 4, выполненной на диэлектрическом каркасе 2. Второй конец удлиняющей катушки 2 электрически соединен с одним из выводов вторичной обмотки трансформатора 5. Другой вывод вторичной обмотки трансформатора 5 подключен к противовесу 6. Катушка 2 намотана на диэлектрическом каркасе 4, внутри которого находится электрод 3, выполненный из проводящего материала, подключенный к противовесу 6 антенны. Электрод 3 имеет возможность перемещения вдоль оси катушки 2. Трансформатор 5 может быть выполнен любым способом, в частности на замкнутом магнитопроводе. Вместо трансформатора 6 возможно использование автотрансформатора. Через первичную обмотку трансформатора 5 осуществляется питание антенны. В качестве противовеса 6 может использоваться кузов транспортного средства, проводящая крыша здания, специально выполненный проводник или система проводников.
Вибраторная антенна работает следующим образом. Электрод 3 и витки катушки 2, разделенные диэлектрическим материалом каркаса 4 катушки, образуют конденсатор. В результате параллельного соединения емкости образовавшегося конденсатора и емкости вибратора 1, величина контурной емкости антенны увеличивается, а ее реактивное сопротивление уменьшается. Перемещением электрода 3 вдоль оси катушки 2 добиваются настройки антенны в резонанс на заданной частоте в диапазоне рабочих частот за счет изменения точки подключения емкости конденсатора, образованного электродом 3, витками катушки 4 и диэлектрического каркаса 2 в резонансный контур антенны. Чем ближе электрод 3 к концу катушки 2, подключенному к вибратору 1, тем больше влияние емкости между электродом 3 и витками катушки 2 на резонансную частоту антенны. Таким образом, обеспечивается перестройка антенны в полосе рабочих частот, при этом при уменьшении резонансной частоты снижается и добротность антенны, что обеспечивает сохранение заданной полосы пропускания во всем диапазоне рабочих частот. Толщина каркаса 4, его диэлектрическая проницаемость и площадь электрода выбираются таким образом, чтобы обеспечить изменение резонансной частоты антенны в соответствии с требуемым диапазоном рабочих частот. Трансформатор 5 согласует активную составляющую импеданса антенны с выходным сопротивлением передатчика.
Положительный эффект расширения полосы пропускания антенны достигается введением добавочной емкости в колебательный контур, что приводит к уменьшению характеристического сопротивления контура, образованного емкостью излучающего вибратора и удлиняющей катушкой, и, как следствие, к расширению полосы пропускания антенны.
Вибраторная антенна была реализована с использованием вибратора из медного экрана коаксиального кабеля, удлиняющей катушки, выполненной на диэлектрическом каркасе внешним диаметром 100 мм. Внутри каркаса катушки был закреплен электрод, выполненный из медной фольги. Диапазон перестройки антенны составил 400…500 кГц, при этом полоса пропускания антенны составила не менее 20 кГц.
Достигаемый технический результат заявленной полезной модели заключается в расширении полосы пропускания антенны во всем диапазоне перестройки.