ШИРОКОПОЛОСНАЯ АНТЕННА НА ОТРЕЗКАХ ДЛИННЫХ ЛИНИЙ СО СТУКТУРНОЙ НЕОДНОРОДНОСТЬЮ
WIDEBAND ANTENNA BASED ON LONG LINE SECTIONS WITH STRUCTURAL HETEROGENEITY

Изобретение относится к антенной технике, а именно к широкодиапазонным антеннам вертикальной поляризации.
Известна коаксиальная антенна [1], у которой центральная жила коаксиального кабеля является вибратором, а внешняя экранирующая оплетка соединена с металлическим цилиндром (трубкой).
Известна антенная система [2], у которой центральная жила коаксиального кабеля взаимодействует с вибратором, который может быть как цельнометаллическим стержнем, так и металлическим цилиндром (трубкой), у которого противоположный торец, от торца, взаимодействующего с центральной жилой коаксиального кабеля, перекрыт цельнометаллическим стержнем, а внешняя экранированная оплетка взаимодействует с металлическим цилиндром (трубой), выполняющим роль резонатора, и с металлическим цилиндром (трубой) большего диаметра, выполняющим роль противовеса. Металлический цилиндр находится внутри металлического цилиндра большего диаметра, имеющего меньшую длину, чем металлический цилиндр, и расположен соосно центральной жиле коаксиального кабеля.
Недостатком данных антенн является довольно узкая полоса рабочих частот.
Наиболее близкой по техническому решению к предлагаемой широкополосной антенне на отрезках длинных линий со структурной неоднородностью является коаксиальная антенна [3], принятая за прототип.
Коаксиальная антенна-прототип, содержащая металлический стержень, проходящий вдоль оси внутри полого металлического цилиндра, имеющий одинаковую длину с полым металлическим цилиндром, с одной стороны взаимодействующий с металлическим цилиндром через перемычку, а с другой стороны взаимодействующий с внешней оплеткой коаксиального кабеля, центральная жила которого взаимодействует с полым металлическим цилиндром. По-существу, указанная антенна состоит из последовательно соединенных длинных линий: отрезка короткозамкнутой длинной линии, состоящей из полого цилиндра и цилиндра, и коаксиального кабеля. Излучающие свойства этой антенной системы возникают вследствие структурной неоднородности в системе соединенных длинных линий, создающейся за счет того, что внутренний проводник коаксиального кабеля подсоединен к внешнему элементу закороченного отрезка длинной линии (полому металлическому цилиндру), а внешняя оплетка коаксиального кабеля подсоединена к внутреннему элементу отрезка длинной линии (металлическому стержню). В рассмотренной конструкции коаксиальный кабель играет роль второго излучателя антенной системы.
Недостатком данной коаксиальной антенны является наличие эффекта «затекания» отраженного сигнала в питающий коаксиальный кабель, недостаточно широкая полоса рабочих частот и неравномерность значений коэффициента стоячей волны (КСВ), которые увеличиваются с ростом рабочей частоты.
Для устранения выше указанных недостатков и создания антенны, позволяющей получить КСВ в полосе рабочих частот более, чем октава, предлагается металлический стержень выполнить длиннее, чем металлический цилиндр, и в виде Т-образной формы, состоящей из продольной части, торцом взаимодействующей с металлической перемычкой, и поперечной части, торцами взаимодействующей с внутренней поверхностью дополнительного металлического полого цилиндра большего диаметра, чем металлический полый цилиндр, расположенного соосно металлическому Т-образному стержню и металлическому полому цилиндру, частично перекрывая наружную поверхность металлического полого цилиндра, «перехватывая» отраженный высокочастотный сигнал, препятствуя его поступлению («затеканию») в питающий коаксиальный кабель, создавая повышенную структурную неоднородность в цепи отрезка длинной линии и питающего коаксиального кабеля, внешняя оплетка которого взаимодействует с металлическим Т-образным стержнем в месте пересечения продольной и поперечной частей металлического Т-образного стержня, а центральная жила питающего коаксиального кабеля взаимодействует с металлическим полым цилиндром.
Данное техническое решение может иметь несколько вариантов исполнения:
- металлический полый цилиндр большего диаметра выполнен в виде двух металлических стержней, взаимодействующих с торцами поперечной части металлического Т-образного стержня и направленных параллельно оси металлического полого цилиндра;
- металлическая перемычка между металлическим полым цилиндром и металлическим Т-образным стержнем может быть выполнена в виде металлического донышка металлического полого цилиндра, взаимодействующего с торцом продольной части металлического Т-образного стержня;
- все цилиндрические элементы: металлический полый цилиндр, металлическая перемычка, металлический полый цилиндр большего диаметра, металлический Т-образный стержень - выполнены в виде металлических пластин, представляющих единую металлическую пластину с конфигурацией антенны;
- металлический Т-образный стержень и два металлических стержня, выполняющих роль металлического полого цилиндра большого диаметра, выполнены в виде цилиндров.
Сущность изобретения поясняется рисунками.
На фиг.1 показан общий вид широкополосной антенны на отрезках длинных линий со структурной неоднородностью, на фиг.2 показан вид сверху, на фиг.3 показано сечение А-А фиг.2 (основной вариант), на фиг.4 показано сечение А-А фиг.2 (вариант исполнения металлической перемычки в виде донышка у металлического полого цилиндра), на фиг.5 показано сечение А-А фиг.2 (вариант исполнения металлического цилиндра большего диаметра, выполненного в виде двух металлических стержней, соединенных с металлическим Т-образным стержнем), на фиг.6 показан общий вид антенны, выполненной в плоском варианте из металлического листа, на фиг.7 сечение А-А фиг.2 (вариант исполнения стержневых деталей в виде цилиндрических изделий), на фиг.8 показан график КСВ основного варианта изготовления антенны, на фиг.9 показан график КСВ варианта изготовления антенны, когда вместо металлического полого цилиндра большего размера используются два металлических стержня, на фиг.10 показан график КСВ плоского варианта изготовления антенны.
Широкополосная антенна на отрезках длинных линий со структурной неоднородностью состоит из металлического полого цилиндра 4, металлической перемычки 5, металлического Т-образного стержня 6, металлического полого цилиндра 3 большого диаметра.
Металлический полый цилиндр 4 одним торцом взаимодействует с металлической перемычкой 5, которая взаимодействует с торцом продольной части металлического Т-образного стержня 6, проходящего продольной частью через оси внутренней полости металлического полого цилиндра 4.
Металлический Т-образный стержень 6 длиннее, чем металлический полый цилиндр 4. Металлический Т-образный стержень 6 торцами поперечной части, которая перпендикулярна продольной части, взаимодействует с внутренней поверхностью металлического полого цилиндра 3 большего диаметра, расположенного соосно с металлическим полым цилиндром 4. Металлический полый цилиндр 3 большего диаметра размещается так, что часть металлического полого цилиндра 4 располагается частично внутри цилиндрической полости металлического полого цилиндра 3 большего диаметра. Величина перекрытия металлическим полым цилиндром 3 большего диаметра металлического полого цилиндра 4 являются расчетными и определяются для заданных значений полосы рабочих частот и неравномерности в ней значений КСВ.
Коаксиальный кабель 1 центральной жилой 2 взаимодействует с металлическим полым цилиндром 4, а внешней оплеткой 7 взаимодействует с металлическим Т-образным стержнем 6 в месте пересечения продольной и поперечной частей.
Размеры элементов широкополосной антенны на отрезках длинных линий со структурной неоднородностью, такие как длина металлического полого цилиндра 3 большего диаметра, длина металлического полого цилиндра 4, диаметр металлического полого цилиндра 3 большего диаметра, диаметр металлического полого цилиндра 4, величина перекрытия металлическим полым цилиндром 3 большего диаметра металлического полого цилиндра 4 и длина металлического Т-образного стержня 6, являются расчетными и зависят от параметров задаваемых частот, на которых работает антенна.
Широкополосная антенна на отрезках длинных линий со структурной неоднородностью работает следующим образом.
Высокочастотный сигнал от генератора поступает по длинной линии в виде коаксиального кабеля 1 на излучающую систему в виде короткозамкнутого отрезка длинной линии, состоящей из металлического полого цилиндра 4, металлической перемычки 5 и металлического Т-образного стержня 6. Вследствие того, что центральная жила 2 коаксиального кабеля 1 взаимодействует с металлическим полым цилиндром 4 внешней части вышеуказанного отрезка короткозамкнутой длинной линии, а ее внутренняя часть металлический Т-образный стержень взаимодействует с оплеткой 7 коаксиального кабеля 1, создается структурная неоднородность в последовательно соединенной системе длинных линий:- коаксиальный кабель,- короткозамкнутый отрезок, приводящая к преобразованию отраженного от короткозамкнутого конца высокочастотного сигнала в излучаемую электромагнитную энергию. Металлический полый цилиндр 3 большего диаметра, частично находясь над поверхностью металлического полого цилиндра 4, отсекает отраженный высокочастотный сигнал, препятствуя его поступлению в коаксиальный кабель и создает в последнем малые равномерные значения КСВ в полосе рабочих частот антенной системы.
Эффективность конструктивного решения подтверждается экспериментальными результатами, которые приведены на диаграммах (см. фиг.8).
Возможен вариант исполнения широкополосной антенны на отрезках длинных линий со структурной неоднородностью, когда перемычка 5 выполнена в виде донышка 13.
Возможен вариант исполнения широкополосной антенны на отрезках длинных линий со структурной неоднородностью, когда вместо металлического цилиндра 3 большего диаметра используются два металлических стержня 8. При этом характеристики данного исполнения антенны практически остаются такими же, как и у основного варианта исполнения (см. фиг.9).
Возможен вариант исполнения широкополосной антенны на отрезках длинных линий со структурной неоднородностью, когда все цилиндрические части антенны основного варианта выполнены в виде металлических пластин. Так, металлический цилиндр 4 выполнен в виде двух плоских металлических пластин 9, металлическая перемычка 5 - в виде металлической пластины 10, металлический Т-образный стержень 6 - в виде металлической Т-образной пластины 11, металлический цилиндр 3 большего диаметра - в виде двух плоских металлических пластин 12. Все конструктивные элементы варианта плоской антенны взаимодействуют между собой и с коаксиальным кабелем 1, у которого центральная жила 2 взаимодействует с металлической пластиной 9, а оплетка взаимодействует металлической Т-образной пластиной, как и в основном варианте выполнения антенны, при этом плоский вариант антенны изготавливается из целого металлического листа, соблюдая заданную конфигурацию. Характеристики работы данной антенны приведены на фиг.10.
Возможен вариант исполнения широкополосной антенны на отрезках длинных линий со структурной неоднородностью, когда вместо металлического Т-образного стержня и двух металлических стержней используются полые цилиндры соответствующих диаметров и длин.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечит получение КСВ в полосе рабочих частот более, чем октава.
Литература
1. Ротхаммель К., Кришке А. Антенны. Том 2.: Пер. с нем. - И.: ДМК Пресс. - 416 с.ил. - С.103, рис.25.1.
2. Патент US 2184729,Антенная система, дата приоритета 15.04.1937.
3. Паньков В. Коаксиальная антенна / В. Паньков // Радиолюбитель KB и УКВ. - 2000. - №3. - С.36.