УКОРОЧЕННАЯ ДВУХДИАПАЗОННАЯ ШИРОКОПОЛОСНАЯ ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩАЯ АНТЕННА

Предлагаемая полезная модель относится к области радиотехники, в частности к антенной технике, и может использоваться в системах радиоподавления, связи и других антенных системах, размещаемых на подвижных носителях.
Известны антенны (Ротхаммель К., Кришке.А. «Антенны», т.1, пер. с немецкого. М. - «Лайт ЛТД», 2000 г. - 460 с. ил., стр.52), обладающие круговой диаграммой направленности (ДН) в азимутальной плоскости и максимальным усилением в горизонтальном направлении и эффективно работающие в нескольких рабочих диапазонах. Как правило, такими ДН обладают вертикальные вибраторы, составленные из нескольких плеч, настроенных на разные рабочие частоты.
Их недостатком является узкая полоса частот, в которой параметры антенны сохраняют свои характеристики (коэффициент стоячей волны (КСВ), формы ДН).
Известны двухдиапазонные антенны, содержащие вибраторы и логопериодические структуры, подключенные к общему фидеру. Вибраторы обеспечивают работу антенны в одном из диапазонов, а логопериодические структуры в другом (а.с. СССР №1103317 H01Q 21/30), в которой вибратор выполнен трубчатым, а логопериодическая структура расположена на вибраторе вблизи точки возбуждения. Проблемой такой антенны является недостаточная широкополосность.
Известна двухдиапазонная антенна по патенту Великобритании №1485801. Она состоит из двух широкополосных вибраторов с плоским рефлектором, возбуждаемых двухпроводной линией, к которой подсоединены диполи логопериодической структуры. Недостатками антенны являются ее большие габариты.
Известны дискоконусные антенны, формирующие при вертикальной поляризации круговые ДН в азимутальной плоскости и ∞-образную - в угломестной плоскости в широкой полосе частот (до 10 октав) [К.Рохменталь, «Антенны», т.1 стр.398. Изд. Данвел, М., 2005]. Электрически дискоконусные антенны ведут себя как фильтры верхних частот (ФВЧ). При их использовании в качестве двухдиапазонных антенн необходимо обеспечить эффективное излучение (например, с КСВ<2) в первом и втором поддиапазоне рабочих частот и менее эффективное (с КСВ>2) за пределами рабочих поддиапазонов. Недостатком таких антенн являются их большие габариты.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является двухдиапазонная дискоконусная антенна, по патенту РФ №2148287 H01Q 9/28, принятая за прототип.
Устройство-прототип состоит из противовеса в виде проводников, расположенных по поверхности конуса вращения, металлического диска (МД), металлической пластины (МП), установленной над металлическим диском. Коаксиальный фидер подключен одним проводником к противовесу, другим - к МД. МП подключена с помощью дополнительных отрезков проводников через отверстия в МД к экранной оболочке коаксиального фидера. Противовес подключен к экранной оболочке коаксиального фидера с помощью прямолинейных отрезков проводников, установленных с диэлектрическим зазором параллельно экранной оболочке коаксиального фидера.
Устройство-прототип работает следующим образом.
мин
пр
макс
пр
II
II
При подаче питания на коаксиальный фидер на частоте I-го поддиапазона центральный проводник коаксиального фидера, гальванически связанный с металлическим диском с помощью прямолинейного проводника, возбуждает электромагнитную волну в пространстве между металлическим диском и проводниками противовесов. Эта электромагнитная волна распространяется в горизонтальной плоскости равномерно во все стороны и имеет вертикальную поляризацию, так как возбуждающийся элемент тока ориентирован вертикально. Теоретические формы диаграмм направленности такой излучающей системы представлены на фиг.1а, б. По принципу действия она аналогична обычной дискоконусной антенне, работающей в диапазоне волн от λ≈2l (отклонение максимума диаграммы направленности вверх в вертикальной плоскости находится в допустимых пределах) до λ≈4l (при такой длине волны коэффициент стоячей волны - КСВ=2). При выборе определенной длины шлейфа, образованного прямолинейными проводниками, отключаются проводники противовесов для волны длиной λср. (λср. - средняя длина волны второго поддиапазона) и металлический диск противовесами не возбуждается. Принцип формирования электромагнитной волны во II-м поддиапазоне аналогичен вышеописанному. Таким образом, противовесы образуют нижнее плечо антенны, а металлический диск и металлическая пластина образуют два верхних широкополосных плеча, настроенных на разные средние частоты.
макс
макс
3
Недостатком устройства-прототипа являются относительно большие габариты, затрудняющие его использование на подвижных носителях. Действительно, устройство-прототип занимает объем ≈(0,5×0,5×0,5)λ. Например, для 110 МГц λ/2=2720/2=1360 мм, то есть антенна занимает кубический объем со стороной ~1,3 м, или ~2,2 м.
Задача - создание укороченной, двухдиапазонной, широкополосной приемопередающей антенны (УДШППА) с коаксиальным входом, формирующей в двух рабочих диапазонах при вертикальной поляризации круговую диаграмму направленности в азимутальной плоскости и ∞-образную в угломестной плоскости.
макс
макс
макс
Для решения поставленной задачи в укороченной двухдиапазонной дискоконусной антенне, содержащей верхнее плечо антенны, включающее металлический диск, и нижнее плечо с коаксиальным кабелем, согласно полезной модели, верхнее плечо представляет собой полый цилиндр с надетым на него диском и закрытым верхним основанием, нижняя часть цилиндра выполнена конусообразной и соединена гальванически с коаксиальным кабелем антенны, проходящим через нижнее полое плечо, сечение которого имеет круглую или прямоугольную форму и диаметр или стороны равные диаметру основания цилиндра верхнего плеча 0,03 λ, длина нижнего плеча равна 0,09 λ, длина верхнего плеча равна 0,07 λ, при этом диаметр диска, место его установки и высота конической части являются элементами настройки антенны, причем оба плеча выполнены из металла.
Схема предлагаемой УДШППА с коаксиальным входом представлена на фиг.2а, где обозначено:
1 - верхнее плечо антенны;
1.1 - металлический диск;
1.2 - цилиндрическая часть;
1.3 - коническая часть;
2 - нижнее плечо антенны;
3 - диэлектрическая прокладка;
4 - корпус мобильного транспортного средства;
5 - коаксиальный кабель.
макс
макс
макс
Предлагаемая антенна содержит верхнее плечо 1, которое состоит из полого цилиндра 1.2 с закрытым верхним основанием, нижняя часть цилиндра выполнена конусообразной 1.3, а сверху на него надет металлический диск 1.1. Конусообразная часть 1.3 гальванически соединена с коаксиальным кабелем 5 антенны, проходящим через нижнее полое плечо 2, сечение которого имеет круглую или прямоугольную форму и диаметр или стороны равные диаметру основания цилиндра верхнего плеча 1 антенны 0,03 λ, длина нижнего плеча 2 равна 0,09 λ, длина верхнего плеча 1 равна 0,07 λ, при этом диаметр диска 1.1, место его установки и высота конической части 1.3 являются элементами настройки антенны. Между корпусом мобильного транспортного средства 4 и нижним плечом 2 антенны при необходимости устанавливается диэлектрическая прокладка 3.
Примером конкретного исполнения (фиг.2б - внешний вид предлагаемой антенны) может служить УДШППА, рассчитанная на работу в диапазоне частот 110-540 МГц, причем в двух поддиапазонах 140-190 МГц и 410-500 МГц, КСВ<2. На остальных частотах диапазона КСВ>2.
Нижнее плечо 2 длиной Н2=200 мм и квадратным сечением со стороной D2=80 мм выполнено из железа и одновременно является элементом крепления УДШППА к корпусу мобильного транспортного средства 4. Для гальванической развязки УДШППА и корпуса мобильного транспортного средства 4 устанавливается диэлектрическая прокладка 3 толщиной 10 мм. Коаксиальный кабель 5 проходит в плечо 2 снизу и закрепляется на его верхнем торце, соединяясь гальванически своей внешней оплеткой с плечом 2. Центральный проводник коаксиального кабеля 5 подсоединяется к вершине конической части 1.3 верхнего плеча 1. Расстояние между плечами 1 и 2 десять миллиметров. Высота конической части 1.3 H1.3 - 60 мм. Диаметр основания конуса 1.3 равен диаметру цилиндрической части 1.2 D1 и равен 80 мм. Высота цилиндрической части 1.2 H1.2, расположенной на одной оси с конической частью 1.3, равна 150 мм. На конце цилиндрической части 1.2 размещается металлический диск 1.1, который выполнен в виде круга из медного листа толщиной 2 мм. Диаметр металлического диска 1.1 D1.1 равен 240 мм, а расстояние от конца антенны до плоскости размещения металлического диска 1.1 Н1.1=20 мм. Для механического крепления плечи антенны помещаются в общий кожух из диэлектрического материала (на фиг.2 не показан).
макс
Таким образом, общая длина антенны равна 200+10+10+210=430 мм, что значительно меньше 0,25 длины волны на нижней частоте рабочего диапазона (для 110 МГц λ/4=2720/4=680 мм). Укорочение антенны по сравнению с четверть волновым вибратором осуществляется за счет металлического диска 1.1, который, внося дополнительную индуктивность, смещает частотную характеристику антенны в область нижних частот. Диаметр металлического диска 1.1 D1.1 и расстояние от конца антенны до плоскости его размещения Н1.1, а также высота конуса 1.3 являются параметрами, с помощью которых осуществляется настройка рабочих частот второго поддиапазона. Например, при высоте конической части 1.3 Н1.3=100 мм (при сохранении неизменными Н1, Н1.1 и D1.1) рабочие частоты второго поддиапазона смещаются в область 360-460 МГц.
УДШППА на передачу работает следующим образом. Высокочастотное колебание (ВЧ) колебание с коаксиального выхода генератора (на фиг.2 не показан) подается на вход антенны по коаксиальному кабелю 5. Благодаря несимметричности, форме и размерам нижнего плеча 2 по отношению к первому плечу 1 происходит формирование требуемой зависимости от частоты входного сопротивления антенны.
На фиг.3 представлен КСВ в рабочем диапазоне с двумя приемлемыми минимумами, где обозначено:
А, В - точки, определяющие границу первого поддиапазона;
С, D - точки определяющие границу второго поддиапазона, которые соответствуют заданным границам поддиапазонов.
В этих поддиапазонах происходит эффективное излучение электромагнитной энергии с устойчивыми ДН. На фиг.4а приведена ДН УДШППА в азимутальной плоскости, а на фиг.4б - в вертикальной плоскости. Из приведенных рисунков видно, что отличие ДН УДШППА от ДН изотропного излучателя, то есть имеющего круговую ДН, не превышает 3 дБ по азимуту и 1,5 дБ в направлении на горизонт. Появление на частотах второго поддиапазона дополнительного лепестка под углом к горизонту (фиг.4б) не снижает эффективность излучения в горизонтальном направлении.
н
макс
2
3
3
Объем, занимаемый предлагаемой УДШППА равен произведению площади диска на высоту антенны. Для рассмотренного выше примера (для f=110 МГц λ=2720 мм) высота антенны равна 430 мм=0.43 м, площадь диска равна 3,14×0,22/4=0,17 м. Таким образом объем, занимаемый УДШППА равен 0,43×0,17=0,07 м, что значительно меньше, чем у антенны прототипа (2,2 м).
Таким образом, предлагаемая укороченная двухдиапазонная широкополосная приемопередающая антенна с коаксиальным входом формирует при вертикальной поляризации изотропную диаграмму направленности в азимутальной плоскости и ∞-образную - в угломестной плоскости и может найти применение в подвижных системах радиоподавления с улучшенной электромагнитной совместимостью, так как вне поддиапазонов характеристики излучения хуже, чем внутри поддиапазонов.