СИММЕТРИЧНАЯ ПОЛИКОНИЧЕСКАЯ АНТЕННА
SYMMETRICAL POLYCONIC ANTENNA

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к широкополосным поликоническим антеннам, и может быть использовано в метрологии, в системах связи, в радиомониторинге, в решении задач электромагнитной совместимости.
Известна «Биконическая антенна с укорочением» (см. Пат. РФ №2336614, МПК H01Q 9/28, опубл. 20.10.2008 г.). Она содержит верхний и нижний конусы, выполненные из стержней, при этом оба конуса обращены вершинами друг к другу и закреплены на изоляторе, а каждый из М стержней обоих конусов укорочен за счет выполнения из высокочастотного фидера в виде N аналогичных отрезков, каждый из которых образован соединением центральной жилы с оплеткой на конце своего отрезка, причем отрезки соединены между собой последовательно, а свободные концы центральных жил каждого из стержней присоединены к вершинам соответствующих конусов, закрепленных на изоляторе.
В антенне обеспечивается некоторое уменьшение габаритных размеров и массы антенны по сравнению с известными аналогами, а также уменьшается неравномерность ее диаграммы направленности в горизонтальной плоскости.
Основной недостаток устройства-аналога состоит в больших габаритных размерах.
Известна «Биконическая антенна» (см. Пат. РФ №2168248, МПК H01Q 13/04, опубл. 27.05.2001 г.). Она содержит N шунтов, выполненных в виде отрезков проводников, соединяющих кромки оснований конусов, при этом отрезки проводника выполнены из двух равных частей, смещенных одна относительно другой на угол α=360°/2N, расположенных с равным угловым смещением вокруг оси конусов и соединенных одна с другой посредством проводящих перемычек, размещенных в плоскости, проходящей через вершины конусов перпендикулярно их оси, а над основаниями конусов установлены отражатели.
Аналог обеспечивает увеличение коэффициента усиления в направлении линии горизонта. Однако антенне присущ существенный недостаток: значительные габаритные размеры и большой вес.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству является «Симметричная поликоническая антенна» (см. Калошин В.А., Скородумова Е.А. Исследования симметричной поликонической антенны // IV Всероссийская конференция «Радиолокация и радиосвязь». Тезисы докладов и сообщений. - М: Институт радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН, 2010, с.531-534).
m
Она содержит два комбинированных конуса с металлическим покрытием, при этом оба комбинированных конуса закреплены на изоляторе вершинами друг к другу и имеют общую ось симметрии, а каждый комбинированный конус состоит из М усеченных прямых конических поверхностей с различными значениями образующих углов α, m=1, 2,…, М, причем кромка в предыдущей конической поверхности совпадает с кромкой последующей конической поверхности и имеет с ней электрический контакт.
В устройстве-прототипе существенное уменьшение размеров антенны достигается за счет выполнения образующих конусов в виде ломанной линии (реализацией комбинированных конусов).
Антенна-прототип также обладает существенным недостатком. Она непригодна для работы со значительным классом широкополосных сигналов из-за недостаточной широкополосности. Современные системы связи используют широкие полосы рабочих частот: 6,6% для GSM диапазона 450-480 МГц; 7,6% для GSM диапазона 890-960 МГц; 9,5% для DCS диапазона 1780-1880 МГц; 7,5% для PCS диапазона 1850-1990 МГц и 12,2% для UMTS диапазона 1920-2170 МГц (см. Kin-Lu Wong. Compact and Broadband Microstrip Antennas. - New York: Awiley - Interscince Publication. John Wiley&Cons, inc. 2002). Кроме того, широкое распространение получает стандарт мобильной беспроводной связи WiMAX семейства 3G, позволяющий абонентам беспрепятственно передвигаться между базовыми станциями сети без обрыва связи (см. http://www.mforum.ru/analit/802_16е.htm). Данный стандарт реализуется в частотных диапазонах 2300-2400 МГц, 2496-2690 МГц и 3400-3600 МГц (см. там же). Также стоит отметить, что сотовая связь четвертого поколения стандарта LTE получает свое развитие в рамках технологии TD-LTE (http://www.mforum.ru/news/article/100520.htm), которая использует диапазон 3,5 ГГц (band 42) (см. http://www.mforum.ru/news/article/100356.htm).
Целью заявляемого технического решения является разработка симметричной поликонической антенны, обеспечивающей эффективный прием и передачу сигналов в более широкой полосе частот при сохранении габаритных характеристик.
m
Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве, содержащем два комбинированных конуса с металлическим покрытием, при этом оба комбинированных конуса закреплены на изоляторе вершинами друг к другу и имеют общую ось симметрии, а каждый комбинированный конус состоит из М прямых усеченных конических поверхностей с различными значениями образующих углов α, m=1, 2,…, М, причем кромка в предыдущей конической поверхности имеет электрический контакт с кромкой последующей конической поверхности, а крайние кромки обеих комбинированных конусов соединены с кромками соответствующих сферических поверхностей с металлическим покрытием и имеют электрический контакт, дополнительно в каждый комбинированный конус введено М-1 кольцевых сферических поверхностей с металлическим покрытием. Вершины всех прямых усеченных конических поверхностей в комбинированных конусах выполняют совмещенными. Электрическое соединение кромок ближайших усеченных конических поверхностей осуществляют соответствующими кольцевыми сферическими поверхностями.
Перечисленная новая совокупность признаков за счет того, что изменено выполнение комбинированных конусов (вершины всех прямых усеченных конических поверхностей совмещены, а электрическое соединение их кромок осуществляют с помощью дополнительно введенных кольцевых сферических поверхностей) позволяет достичь цели изобретения: разработать широкополосную симметричную поликоническую антенну при сохранении габаритных характеристик.
Технический результат в предлагаемой антенне достигается за счет перехода от каскадного подключения волноводов с плавно меняющимся волновым сопротивлением в прототипе к их подключению, конструктивно соответствующему трансформатору на скачках волнового сопротивления. При равных с прототипом габаритных размерах и заданном согласовании, например КСВ=2.5, рабочая полоса частот увеличивается на 40% и более.
Заявляемая антенна поясняется чертежами, на которых:
на фиг.1 приведено схематическое изображение биконической антенны;
на фиг.2 иллюстрируется эквивалентная схема биконической антенны;
на фиг.3 показан вариант изготовления антенны-прототипа;
на фиг.4 приведена эквивалентная схема антенны-прототипа;
на фиг.5 показана антенна в соответствии с заявляемым изобретением;
на фиг.6 иллюстрируется эквивалентная схема заявляемой антенны;
на фиг.7 приведены габаритные размеры антенны-прототипа;
на фиг.8 приведены габаритные размеры заявляемой антенны;
на фиг.9 показан график изменения частотных характеристик антенны-прототипа (зависимость КСВ от используемой частоты);
на фиг.10 приведены значения входного сопротивления антенны-прототипа на диаграмме Смита;
на фиг.11 иллюстрируется зависимость КСВ от используемой частоты в заявляемой антенне;
на фиг.12 приведены значения входного сопротивления заявляемой антенны на диаграмме Смита.
min
max
Расширение рабочей полосы частот в заявляемой антенне поясняется следующим. Известно (см. Л.Фелсен, Н.Маркувец. Излучение и рассеяние волн. - М.: Мир, 1978 г.), что свободное пространство может рассматриваться как частный случай биконического волновода, образованного коническими поверхностями с общей вершиной и нулевыми углами между осью и образующими. Биконическая антенна в этом случае является согласующим отрезком между полем в фидерной линии, подключенной к антенне и полубесконечным коническим волноводом с волновым сопротивлением 120π Ом (свободным пространством). Схематичное изображение биконической антенны, эквивалентная схема, содержащая отрезок фидерной линии, антенну и нагрузку, описывающую влияние свободного пространства, приведены на фиг.1 и 2 соответственно. Верхняя граница рабочего диапазона такой антенны определяется толщиной центрального проводника коаксиальной линии, которая должна быть не более 0.05λ. Нижняя граница рабочего диапазона зависит от размеров конической поверхности или от радиуса сферической поверхности R, замыкающей основание конуса. Если КСВ антенны не должно превышать 2, то необходимо чтобы R≥0.15λ. В нижней части дециметрового диапазона, и тем более в метровом диапазоне размеры биконической антенны могут достигать 1 метра и более. Возникающая при этом большая парусность приводит к необходимости существенного укрепления центральной части антенны (к увеличению толщины центрального проводника коаксиальной линии, поддерживающего верхнее плечо). Помимо снижения верхней границы рабочего диапазона, большие габариты создают серьезные проблемы при эксплуатации таких антенн в подвижных комплексах, так как требуют выделения больших объемов в транспортных средствах для хранения и перевозки.
0
max
В устройстве-прототипе (см. фиг.3) уменьшение габаритов достигается заменой одного отрезка биконического волновода несколькими каскадно включенными. При этом, как видно из фиг.4, второй и последующие отрезки являются неоднородными в силу того, что их поперечное сечение (π-2θ) возрастает по мере удаления от центра антенны (от вершины первой конической поверхности). Каскадное соединение отрезков биконических волноводов, начиная со второго, представляет собой линию, волновое сопротивление которой непрерывно возрастает от входа к выходу (к месту подключения) нагрузки. Из теории цепей известно (см. Серков В.П. Распространение радиоволн и антенные устройства. - Л.: ВАС, 1981, стр.352), что минимальная длина трансформатора с экспоненциально изменяющимся волновым сопротивлением, обеспечивающего согласование КСВ≤К на волнах λ≤λ должна выбираться из условия
<mrow><mi>l</mi><mo>≥</mo><mfrac><mrow><msub><mi>λ</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mn>4</mn><mi>π</mi></mrow></mfrac><mfrac><mrow><msub><mi>К</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><msub><mi>К</mi><mn>0</mn></msub><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>ln</mi><mi>N</mi></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow>
,
H
H
0
H
max
где N=Z/ρ - коэффициент трансформации; Z - сопротивление нагрузки; ρ - волновое сопротивление фидера. Если К=2, a Z=120π, то из этого выражения следует, что l≥λ/2. Следовательно, длина антенны должна быть увеличена более чем в 3 раза. Решение оптимизационной задачи показало, что при сохранении одинаковых высот (радиусов внешних конических поверхностей), трехступенчатая поликоническая антенна обеспечивает согласование с КСВ не хуже 2.5 в пятикратном диапазоне частот.
Заявляемая конструкция антенны (см. фиг.5) может рассматриваться как трансформатор на скачках волнового сопротивления (см. фиг.6). Из теории цепей известно, что такие трансформаторы при заданных полосе и уровне согласования имеют минимальную длину (см. там же). Для перехода от отрезков биконических волноводов с плавно меняющимися волновыми сопротивлениями (см. фиг.4) к отрезкам с постоянными волновыми сопротивлениями (см. фиг.6) в предлагаемой антенне совмещены вершины всех конических поверхностей. Для этой же цели используются дополнительно введенные кольцевые сферические поверхности. Результаты моделирования с использованием программы CST MICROVAWE STUDIO (см. www.cst.com) и последующие практические испытания показали следующее. Трехступенчатая поликоническая антенна на скачках волнового сопротивления при одинаковых габаритных размерах с прототипом обеспечивает согласование в семикратном диапазоне частот. Последнее соответствует выигрышу по широкополосности на 40%.
m
Внешний вид антенны с габаритными размерами приведен на фиг.8. Симметричная поликоническая антенна содержит первый 1 и второй 2 комбинированные конуса с металлическим покрытием, при этом оба комбинированных конуса 1 и 2 закреплены на изоляторе 3 вершинами друг к другу и имеют общую ось симметрии, а каждый комбинированный конус 1 или 2 состоит из М прямых усеченных конических поверхностей 4.1, 4.2,…, 4.М с различными значениями образующих углов α, m=1, 2,…, М, причем кромка в предыдущей конической поверхности 4.W-1 имеет электрический контакт с кромкой последующей конической поверхности 4.m. Кроме того, крайние кромки обеих комбинированных конусов 1 и 2 соединены с кромками соответствующих сферических поверхностей с металлическим покрытием 5.1 и 5.2 и имеют электрический контакт.
Для обеспечения эффективного приема и передачи сигналов в более широкой полосе частот при сохранении габаритных характеристик в каждом комбинированном конусе 1 и 2 дополнительно введено М-1 кольцевых сферических поверхностей 6.m, m=1, 2,…, М-1, с металлическим покрытием. Вершины всех прямых усеченных конических поверхностей 4.m, m=1, 2,…, М, выполняют совмещенными. Электрическое соединение кромок ближайших прямых усеченных конических поверхностей 4.m, m=1, 2,…, М, осуществляют соответствующими кольцевыми сферическими поверхностями 6.m, m=1, 2,…, М-1. Центральная жила 7 коаксиального кабеля 8 электрически соединена с вершиной верхнего комбинированного конуса 1, а экран кабеля 8 электрически соединен с нижним комбинированным конусом 2.
Сравнительный анализ прототипа (см. фиг.7) и заявляемой антенны (см. фиг.8) выполнен при совпадении их основных физических характеристик:
выбраны общие габаритные размеры антенн 170×64 мм;
одинаковое количество усеченных конических поверхностей, m=3;
совпадающие размеры сферических поверхностей 5, R=85, ⌀64.
1
1
Комбинированные конуса 1 и 2 могут быть выполнены из латуни марки Л-60. Размеры первой прямой усеченной конической поверхности 4.1 составляют: угол образующей α=65°, длина образующей R=22 мм.
2
2
1
Вторая усеченная прямая коническая поверхность 4.2 имеет следующие размеры: угол образующей α=45°, а ее эквивалентная длина (длина образующей от второй кольцевой сферической поверхности 6.2 до вершины комбинированного конуса 1(2)) R=45 мм. Первая кольцевая сферическая поверхность 6.1 имеет радиус R=22 мм. При этом в функции первой кольцевой сферической поверхности 6.1 входит электрическое соединение кромок первой прямой усеченной конической поверхности 4.1 со второй прямой усеченной конической поверхностью 4.2.
3
3
Третья прямая усеченная коническая поверхность 4.3 формируется с помощью образующей с углом α=22°, а ее эквивалентная длина R составляет 85 мм. Нижние кромки комбинированных конусов 1 и 2 электрически соединены с соответствующими сферическими поверхностями 5.1 и 5.2.
ц
2
2
ц
1
1
Нижний комбинированный конус 2 содержит полость в виде двухступенчатого круглого прямого цилиндра, ось которого совпадает с осью комбинированного конуса 2. Его размеры определяются толщиной коаксиального кабеля 8 без оплетки, и толщиной (диаметром d) центральной жилы 7 кабеля 8. При этом диаметр второго прямого цилиндра d выбирается из условия d>d, чем обеспечивается гарантированное отсутствие контакта центральной жилы 7 с конусом 2. Диаметр первого кругового прямого цилиндра d выбирают из условия обеспечения гарантированного электрического контакта с экраном коаксиального кабеля 8. Центральная жила 7 кабеля 8 проходит через отверстие в изоляторе 3 и крепится надежным электрическим контактом к вершине верхнего комбинированного конуса 1. Угол α=65° выбран таким образом, чтобы входное сопротивление антенны в месте стыка с коаксиальным кабелем было равно 50 Ом.
1
Изолятор 3 выполнен из фторопласта марки Ф-4 в форме симметричного шарового слоя с внешним диметром 22 мм. При этом верхние и нижние сечения изолятора 3 идентичны и имеют форму круглого прямого конуса с углом образующей α=65°, вершины которых обращены друг к другу. В центре изолятора 3 имеется отверстие, диаметр которого определяется размерами центральной жилы 7 коаксиального кабеля 8.
Порядок расчета характеристик биконических антенн хорошо известен (см., например, Макурин М.Н., Чубинский Н.П. Расчет характеристик биконической антенны методом частичных областей // Радиотехника и электроника, 2007 г., Т.52, №10, с.1190-1208), выполнен с использованием программного обеспечения CST MICROVAWE STUDIO (см. www.cst.com). Результаты расчета частотных характеристик (КСВ) и входного сопротивления прототипа и заявляемой антенны приведены на фиг.9-12.
На фиг.9 и 11 иллюстрируются графики изменения частотных характеристик (зависимость КСВ от используемой частоты) в антенне-прототипе и заявляемой антенне соответственно. Из их рассмотрения видно, что для КСВ 2,5 прототип обеспечивает полосу рабочих частот от 0,5 до 2,5 ГГц (пять октав). Заявляемая антенна для тех же условий реализует более широкую на 1ГТц полосу рабочих частот от 0,5 до 3,5 ГГц (семь октав), что соответствует выигрышу по данному показателю на 40%.
Входные сопротивления прототипа (см. фиг.10) и заявляемой антенны (см. фиг.12) имеют сходный многорезонансный характер. За пределами названных полос рабочих частот (с КСВ=2,5) входное сопротивление обеих антенн носит емкостной характер.
mах
В силу своей симметрии заявляемая поликоническая антенна формирует изотропную в горизонтальной плоскости диаграмму направленности (ДН) с вертикальной поляризацией. В угломестной плоскости антенна формирует однолепестковую диаграмму направленности, ширина и форма которой зависит от частоты. Расчет диаграммы направленности заявляемой антенны на основе программного продукта CST MICROVAWE STUDIO показал следующее. В области низких частот ДН имеет однолепестковый характер, который начинает разрушаться при λ/λ=3. На более высоких частотах в угломестной плоскости наряду с сужением главного лепестка наблюдается появление дополнительных боковых лепестков. Порядок формирования электромагнитного поля в подобных антеннах широко освещен в литературе (см. Фрадин А.З. Антенны сверхвысоких частот. - М.: Сов. радио, 1957 г., стр.203-216).
Результаты практических испытаний антенны хорошо согласуются с полученными данными. Все детали антенны согласно настоящему изобретению имеют простую форму и сделаны из однородного однотипного токопроводящего материала. Комбинированные конуса 1 и 2 для уменьшения их веса целесообразно изготавливать используя прессовку или пластмассовое литье с последующим токопроводящим покрытием. Кроме того, изготовление и эксплуатации антенны упрощается, если комбинированные конусы разделить на составляющие элементы (прямые усеченные конусы, ограниченные сферическими однонаправленными поверхностями), имеющими взаимные резьбовые соединения. Последнее позволит регулировать значение нижней границы рабочей полосы частот путем изменения их количества m.