Биконическая антенна

Полезная модель относится к антенной технике и предназначена для использования в качестве широкополосной приемно-передающей антенны мобильных и стационарных устройств систем мониторинга и дециметровой связи.
Известна биконическая антенна, содержащая два металлических полых конических элемента, соединенных вершинами с линией питания, элемент, внутри которого проложена линия питания антенны, содержит в себе однородный полый цилиндрический участок, гальванически соединенный с основанием биконуса (Патент US 7221326).
Недостатком такой антенны является сравнительно невысокая направленность антенны, низкая механическая прочность.
Из уровня техники известна печатная биконическая антенна, выполненная в виде двух треугольных элементов расположенных соосно и соединенных вершинами с линией питания, причем в одном из треугольных элементов присутствует зазор(US 20040017325 A1).
Недостатками такого решения являются высокий уровень излучения «назад», ограниченный уровень входной мощности
Известна биконическая антенна (F.F. Lanang, R. Mayasari, A.D. PrasetyoandB. Syihabuddin, "CharacterizationofCompactAsymmetricBiconicalAntennaforIoTApplications," 2020 1stInternational Conferenceon Information Technology, Advanced Mechanical and Electrical Engineering (ICITAMEE), 2020, pp. 75-80). Устройство содержит два металлических полых конических элемента, соединенных вершинами с линией питания.
Недостатком такого решения является сравнительно невысокая направленность антенны, низкая механическая прочность.
Наиболееблизкимпосовокупностисуществующихпризнаковкпредлагаемомуустройствуявляетсябиконическаяантенна (Патент RU 203165 U1). Устройство содержит два металлических полых конических элемента, соединенных вершинами с линией питания, причем каждый из полых конических элементов выполнен в виде двух симметричных частей, которые гальванически соединены друг с другом по всей длине разных сторон частично металлизированной с двух сторон платы.
Преимуществом прототипа широкая полоса рабочих частот, высокая механическая прочность.
Недостатком прототипа является невысокая направленность антенны в пределах рабочей полосы рабочих частот, особенно в низкочастотной его части.
Задачей предлагаемой полезной модели является увеличение направленности антенны при увеличении полосы рабочих частот.
Поставленная задача решается за счет того, что заявленное устройство, также как и известное, содержит два металлических полых конических элемента, соединенных вершинами с линией питания, причем каждый из полых конических элементов выполнен в виде двух симметричных частей, которые гальванически соединены друг с другом по всей длине разных сторон частично металлизированной с двух сторон платы. Но, в отличие от известного, в предлагаемой биконической антенне центры окружностей оснований конических элементов смещены относительно вершин конических элементов в плоскости окружности оснований на расстояние, определяемое уровнем согласования и длиной волны на частоте, соответствующей нижней границе диапазона рабочих частот биконической антенны.
Достигаемым техническим результатом является увеличение направленности антенны при увеличении полосы рабочих частот.
Технический результат достигается за счет сдвига центров окружностей оснований конических элементов относительно вершин конических элементов в плоскости окружности оснований на расстояние, определяемое уровнем согласования и длиной волны на частоте, соответствующей нижней границе диапазона рабочих частот биконической антенны.
Полезная модель иллюстрируется чертежами.
Фиг. 1. - схема предлагаемой биконической антенны.
Фиг. 2. - сравнение характерных размеров схемы предлагаемой биконической антенны с прототипом.
Фиг. 3. - сравнение характерных размеров схемы предлагаемой биконической антенны с прототипом в случае одинаковых конических элементов.
Фиг. 4 - частотные зависимости S11 предлагаемой биконической антенны и антенны прототипа при различных размерах конических элементов.
Фиг. 5 - частотные зависимости максимальных КНД предлагаемой биконической антенны и антенны прототипа при различных размерах конических элементов.
Фиг. 6 - нормированные ДН в H-плоскости предлагаемой биконической антенны и антенны прототипа при различных размерах конических элементов на частоте 1.5 ГГц.
Фиг. 7 - нормированные ДН в H-плоскости предлагаемой биконической антенны и антенны прототипа при различных размерах конических элементов на частоте 3 ГГц.
Фиг. 8 - нормированные ДН в H-плоскости предлагаемой биконической антенны и антенны прототипа при различных размерах конических элементов на частоте 5 ГГц.
Фиг. 9 - частотные зависимости S11 предлагаемой биконической антенны и антенны прототипа при одинаковых размерах конических элементов.
Фиг. 10 - частотные зависимости максимальных КНД предлагаемой биконической антенны и антенны прототипа при одинаковых размерах конических элементов.
Фиг. 11 - нормированные ДН в H-плоскости предлагаемой биконической антенны и антенны прототипа при одинаковых размерах конических элементов на частоте 1.25 ГГц.
Фиг. 12 - нормированные ДН в H-плоскости предлагаемой биконической антенны и антенны прототипа при одинаковых размерах конических элементов на частоте 2.5 ГГц.
Фиг. 13 - нормированные ДН в H-плоскости предлагаемой биконической антенны и антенны прототипа при одинаковых размерах конических элементов на частоте 4 ГГц.
На чертежах введены следующие обозначения:
1 - симметричные части 1-го конического элемента.
2 - симметричные части 2-го конического элементы.
3 -частично металлизированная с двух сторон диэлектрическая плата.
4 - точка питания.
1
S-величина сдвига центра окружности основания 1-го конического элемента относительно вершин конических элементов.
2
S-величина сдвига центра окружности основания 2-го конического элемента относительно вершин конических элементов.
S-величина сдвига центра окружностей оснований конических элементов относительно вершин конических элементов в случае одинаковых конических элементов.
1
L-длина 1-го конического элемента.
2
L-длина 2-го конического элемента.
L-длина конических элементов в случае одинаковых конических элементов.
1
R-радиус основания 1-го конического элемента.
2
R-радиус основания 2-го конического элемента.
R-радиусы оснований конических элементов в случае одинаковых конических элементов.
1
2
1
2
1
2
Подключенная к вершинам полых конических элементов, выполненных в виде двух симметричных частей 1-2, которые гальванически соединены друг с другом по всей длине разных сторон частично металлизированной с двух сторон диэлектрической платы 3, линия питания 4 возбуждает электромагнитное поле, которое излучается с внешних поверхностей конических элементов (фиг. 1). Характерные размеры элементов радиусы оснований конических элементов R и R(фиг. 2), длины конических элементов L и Lи конфигурация линии питания определяются согласованием с требуемым входным сопротивлением в полосе рабочих частот антенны. Введение в конструкцию антенны сдвига центра окружностей оснований конических элементов относительно вершин конических элементов на величины S и Sпозволяет расширить полосу рабочих частот биконической антенны и повысить ее направленность.
Работа устройства подтверждается результатами электродинамического моделирования биконических антенн как с различными (фиг. 2), так и с одинаковыми (фиг. 3) размерами конических элементов в диапазоне частот 1-6 ГГц. При моделировании использовалось питание сосредоточенным источником с входным сопротивлением 50 Ом.
1
2
1
2
1
2
1
2
в
н
Из приведенных частотных зависимостей S11 в полосе рабочих частот (фиг. 4)для предлагаемой биконической антенны по фиг. 3 при L=50 мм, L=33 мм, R=57.5 мм, R=54 мм с величиной сдвига центров окружностей оснований конических элементов относительно вершин конических элементов на величины S=S=30 мм и для биконической антенны прототипа тех же размеров (при S=S=0 мм, соответственно) видно, по уровню S11=-10 дБ за счет введения сдвига удалось расширить относительную полосу рабочих частот как f/f с 2.8 до 4.7 за счет улучшения согласования в нижней части частотного диапазона. При этом полученный максимальный КНД в полосе рабочих частот (фиг. 5) не хуже, чем для биконической антенны прототипа и достигает 6 дБ. Из приведенного сравнения нормированных ДН в Н-плоскости в полосе рабочих частот (фиг. 6-8) видно, что введение в конструкцию биконической антенны сдвига центров окружностей оснований конических элементов относительно вершин конических элементов удалось повысить направленность антенны.
1
2
1
2
1
2
в
н
Также продемонстрировать возможность регулировки уровня согласования биконической антенны за счет изменения величины сдвига центров окружностей оснований конических элементов относительно вершин конических элементов можно на примере предельного случая предлагаемой конструкции биконической антенны - с одинаковыми размерами конических элементов L=L=L=50 мм,R=R=R=57.5 мм. На фиг. 9 приведены частотные зависимости S11 в полосе рабочих частот для предлагаемой биконической антенны с различными величинами сдвига и для биконической антенны прототипа тех же размеров (при S=S=0 мм, соответственно). Видно, по уровню S11=-10дБ за счет введения сдвига удалось расширить относительную полосу рабочих частот как f/f с 2.9 до 4.5 за счет улучшения согласования в нижней части частотного диапазона. При этом полученный КНД (фиг. 10) и нормированные ДН в полосе рабочих частот (фиг. 11-13) демонстрируют увеличение направленности предлагаемой биконической антенны.
Таким образом, показана достижимость технического результата - увеличение направленности антенны при увеличении полосы рабочих частот.