БИКОНИЧЕСКАЯ АНТЕННА
BICONICAL ANTENNA

Изобретение относится к антенным устройствам, а именно к классу сверхширокополосных приемопередающих биконических (дипольных) антенн, предназначенных для использования в радиотехнических системах различного назначения, в частности для измерения электрической составляющей напряженности электромагнитного поля при решении задач электромагнитной совместимости технических средств, а также для определения и контроля предельно допустимых уровней электромагнитных полей.
Известны биконические антенны по патентам на изобретения RU №2221316, 2168248, содержащие два соосных металлических конуса, обращенных друг к другу вершинами, подключенными к входным каналам согласующе-симметрирующего устройства.
В качестве прототипа заявленного технического решения выбрана конструкция антенны по патенту RU №2221316.
Недостатком вышеуказанных антенн является ограничение верхней границы частотного диапазона из-за неравномерности диаграммы направленности (появление боковых лепестков).
Технической задачей предлагаемого решения является создание приемопередающей широкополосной (в такой антенне должно выполняться условие для относительного уровня боковых лепестков диаграммы направленности) биконической антенны с расширением в область высоких частот, низким уровнем боковых лепестков диаграммы направленности (выравниванием диаграммы), простой конструкцией с высокой механической прочностью и технологической воспроизводимостью.
Сущность технического решения заключается в том, что в биконической антенне, содержащей два идентичных вибратора, продольная ось которых совмещена с продольной осью антенны, при этом каждый вибратор выполнен в виде металлического конуса, обращенные в антенне друг к другу вершинами, к которым подключено согласующе-симметрирующее устройство, на боковых поверхностях конусов по окружностям выполнены концентрично расположенные канавки (углубления) зигзагообразной формы, образуя ребристую, гофрированную поверхность, параметры вибраторов определяются из соотношений
<mrow><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub><mo>≤</mo><mfrac><mrow><msub><mi>λ</mi><mrow><mi>min</mi></mrow></msub></mrow><mn>8</mn></mfrac></mrow>
<mrow />
<mrow><mi>D</mi><msub><mn>1</mn><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mi>D</mi><msub><mn>2</mn><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>x</mi><mi>j</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>x</mi><mrow><mi>j</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>τ</mi></mrow>
<mrow><mi>D</mi><msub><mn>1</mn><mi>j</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>x</mi><mi>j</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mi>D</mi><msub><mn>2</mn><mrow><mi>j</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>x</mi><mi>j</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>2,3,</mn><mo>…</mo><mo>,</mo><mi>N</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
;
;
;
;
;
;
,
min
1
2
j
j
где λ - минимальная длина волны в рабочем диапазоне частот антенны; a, а задаются исходя из требуемого входного сопротивления; τ≥1 - параметр, определяемый заданной неравномерностью частотной зависимости входного сопротивления антенны; N - количество канавок на конической (боковой) поверхности вибратора; х - расстояние до краев канавки от вершины конуса; D1 и D2  определяют глубину соответствующих канавок.
В вариантах выполнения антенны канавки в продольном осевом сечении имеют прямоугольную, синусоидальную, треугольную или трапецеидальную форму в зависимости от технологического процесса изготовления антенны.
На рисунках представлено: фиг.1 - изображение общего вида антенны; фиг.2 - продольное сечение конусного вибратора.
Биконическая антенна представляет собой неоднородную линию, содержащую (фиг.1) два идентичных вибратора 1, каждый из которых выполнен в виде металлического конуса из хорошо проводящего материала, например алюминия. Продольная ось вибраторов 1 совмещена с продольной осью антенны, при этом вибраторы обращены в антенне друг к другу вершинами, к которым подключено согласующе-симметрирующее устройство 2, являющееся входом-выходом антенны. На боковых поверхностях конусов вибраторов 1 (фиг.2) по окружностям выполнены концентрично расположенные канавки 3 зигзагообразной (прямоугольной) формы, образуя ребристую, гофрированную поверхность. Параметры канавок определяются из соотношений:
<mrow><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub><mo>≤</mo><mfrac><mrow><msub><mi>λ</mi><mrow><mi>min</mi></mrow></msub></mrow><mn>8</mn></mfrac></mrow>
<mrow />
<mrow><mi>D</mi><msub><mn>1</mn><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mi>D</mi><msub><mn>2</mn><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>x</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>x</mi><mi>j</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>x</mi><mrow><mi>j</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>τ</mi></mrow>
<mrow><mi>D</mi><msub><mn>1</mn><mi>j</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>x</mi><mi>j</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mi>D</mi><msub><mn>2</mn><mrow><mi>j</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>x</mi><mi>j</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>2,3,</mn><mo>…</mo><mo>,</mo><mi>N</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
;
;
;
;
;
;
,
min
1
2
j
j
где λ - минимальная длина волны в рабочем диапазоне частот антенны; a, a задаются исходя из требуемого входного сопротивления; τ≥1 - параметр, определяемый заданной неравномерностью частотной зависимости входного сопротивления антенны; N - количество канавок на конической (боковой) поверхности вибратора; х - расстояние до краев канавки от вершины конуса; D1 и D2 определяют глубину соответствующих канавок.
При работе антенны в режиме приема падающая электромагнитная волна, распространяющаяся вдоль металлической гофрированной структуры 3 в радиальном направлении, возбуждает вибраторы 1, сигнал с которых поступает на входные цепи согласующе-симметрирующего устройства 2. При этом в конусах вибраторов возбуждаются электрические токи, которые формируют круговую диаграмму направленности в Н-плоскости и однолепестковую в Е-плоскости.
Амплитудно-фазовое распределение в такой антенне зависит от количества канавок, формы, ширины и амплитуды (глубины) их изгиба. Расчет приема-излучения таких антенн довольно сложен, поэтому преимущественно используются экспериментальные методы.
Результаты макетирования и экспериментальные исследования на стенде для измерения коэффициента стоячей волны для конструкции выполнения антенны с прямоугольными изгибами в виде меандровой линии (фиг.2), у которой в каждом вибраторе шесть (N=6) канавок, в диапазоне частот 1-2,5 ГГц обеспечивает выигрыш в коэффициенте усиления на 1,6-2,0 дБ и увеличения верхней границы частотного диапазона на 50% (по сравнению с прототипом).
Достигаемый эффект заключается в том, что антенна работает аналогично антенне с вибраторами увеличенной длины, тем самым повышая усиление (чувствительность) антенны в высокочастотном диапазоне, сохраняя при этом широкополосность по входному сопротивлению за счет конической формы вибратора.
Такая антенна для диапазона частот от 300 МГц до 3 ГГц весит не более 2 кг, и крепление ее в нужном положении не вызывает трудностей. Антенну не надо защищать от проникновения влаги в фидер.
Все детали компактной и небольшой по весу антенны согласно настоящему решению имеют простую форму и сделаны из однородного и однотипного токопроводящего материала. Изготовление такой антенны сводится исключительно к токарным работам. Это позволяет реализовать изготовление их в массовом производстве легко и дешево, используя отработанную технологию.