НЕНАПРАВЛЕННАЯ ШИРОКОПОЛОСНАЯ АНТЕННА
NONDIRECTIONAL BROADBAND ANTENNA

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антенной технике и, в частности, ненаправленная широкополосная антенна (ШПА) предназначена для использования в качестве приемной и/или передающей ультракоротковолновой (УКВ) антенны совместно с широкодиапазонными УКВ радиостанциями.
Известна УКВ ШПА по патенту РФ №2084993, опубл. 20.07.1997 г. Антенна-аналог состоит из металлического конуса, установленного вертикально над противовесом в виде металлического диска и обращенного к нему вершиной, емкостных выступов, штырей, коаксиального фидера, подключенного центральным проводником к вершине конуса, а экранной оболочкой к противовесу. Кроме того, антенна снабжена шунтирующими штырями.
Недостатком аналога является относительно узкий диапазон рабочих частот и отсутствие излучения вдоль оси антенны.
Известна также ненаправленная ШПА по патенту Франции №2446090, опубл. 25.04.1975 г. Аналог состоит из биконического вибратора. К основанию каждого из конусов подключены логоспиральные проводники. Коаксиальный фидер подключен центральным проводником к вершине одного из конусов, а экранной оболочкой к вершине другого конуса. Недостатком данного аналога является относительно узкий диапазон рабочих частот.
Наиболее близким аналогом (прототипом) по своей технической сущности к заявленной антенне является известная ШПА по патенту РФ №22007673, опубл. 27.06.2003 г. Антенна-прототип состоит из полого металлического конуса (ПМК) и расположенного над его вершиной параллельно плоскости основания проводника в форме однозаходной плоской спирали и коаксиального фидера, подключенного к ПМК.
Недостатком прототипа является относительно узкий диапазон рабочих частот, ограниченный в области низкочастотной части недопустимым ухудшением качества согласования (коэффициента бегущей волны - КБВ).
Целью изобретения является разработка ненаправленной в азимутальной плоскости широкополосной антенны, обеспечивающей расширение ее диапазона рабочих частот в область более низких частот без ухудшения качества согласования.
к
c
Поставленная цель достигается тем, что в известной ненаправленной ШПА, содержащей ПМК высотой H с углом при вершине α, спиральный проводник и коаксиальный фидер, подключенный к ПМК, ПМК установлен вертикально над проводящей поверхностью и обращен к ней вершиной. Спиральный проводник выполнен в форме конической спирали (КС) высотой H и с углом β при вершине. КС установлена в полости ПМК соосно с ним. Вершина КС подключена к внутренней поверхности ПМК у его вершины. Коаксиальный фидер подключен центральным проводником к вершине ПМК, а экранной оболочкой к проводящей поверхности.
к
к
max
max
к
c
к
c
Высота H ПМК выбрана из условия H≥0,16λ, где λ - наибольшая длина волны рабочего диапазона волн антенны. Высоты H и H равны, т.е. H=H. Углы при вершинах ПМК и КС выбраны в интервалах α=60°-90°; β=30°-40°.
np
Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленной антенне за счет внутренней поверхности ПМК и провода КС увеличивается путь протекания тока проводимости I, что эквивалентно использованию дополнительных проводов емкостной нагрузки, которые не нарушают общего профиля ПМК, и, в то же время обеспечивают его «удлинение», что указывает на возможность расширения диапазона рабочего диапазона антенны в область низких частот.
Заявленная антенна поясняется чертежами, на которых показаны:
на фиг.1 - общий вид антенны;
на фиг.2 - рисунок, поясняющий протекание высокочастотного тока в элементах антенны;
на фиг.3 - результаты измерений качества согласования - КБВ;
на фиг.4 - результаты измерений диаграмм направленности (ДН).
к
Заявленная ненаправленная ШПА, показанная на фиг.1, состоит из ПМК 1 высотой H и с углом при вершине α. ПМК 1 установлен вертикально над проводящей поверхностью 4 и обращен к ней вершиной, проводника в форме КС 2 с углом при вершине β и коаксиального фидера 3, подключенного центральным проводником к вершине ПМК 1 (точка «а»), а экранной оболочкой к проводящей поверхности 4 (точки «б»). Для предотвращения влияния гидрометеоров ШПА может быть помещена в радиопрозрачный обтекатель 5. КС 2 установлена в полость ПМК 1 соосно с ним и подключена вершиной к внутренней поверхности ПМК 1 у его вершины.
max
Высоту ПМК 1 выбирают с учетом требований по качеству согласования на наибольшей рабочей длине волны - λ. К данному классу антенн предъявляются требования по коэффициенту бегущей волны (КБВ) не ниже 0,4, т.е. КБВ≥0,4. Диаметр провода КС 2 выбирают из конструктивных соображений в пределах 2-5 мм.
np
cм
пр
Заявленная ШПА работает следующим образом. При подаче по фидеру 3 возбуждающей ЭДС к точкам «а» и «б» высокочастотный (в.ч.) ток проводимости I протекает (см. фиг.2) от точки «а» по внешней поверхности ПМК 1, затем по его внутренней поверхности и далее по проводу КС 2 до его конца (точка «с» на фиг.1), а затем переходит в ток смещения I и далее в ток проводимости I по проводящей поверхности 4, который замыкается на точки «б».
np
к
Таким образом, благодаря выбранной конструктивной схеме существенно увеличивается путь тока I, что эквивалентно включению в ШПА дополнительной емкостной нагрузки без изменения внешней конфигурации ПМК 1. В свою очередь это указывает на возможность «смещения» частотного диапазона антенны в область низких частот или, при равенстве низкочастотной границы диапазона, к снижению ее физических размеров (высоты) H.
с
к
к
max
к
c
c
к
Соотношения элементов конструкции ШПА, при которых достигается сформулированный технический результат, были определены экспериментально и составили: H=H; H≥0,16λ; α=60°-90°; β=20°-40°; соотношение диаметра раскрыва D ПМК 1 и диаметра Dнаибольшего витка КС 2 выбрано в интервале D=(0,5-0,6)D.
к
Число витков и шаг КС 2 выбирают, исходя из конструктивных соображений и из условия, что общая длина провода КС 2 составляет (1,5-2,0)H.
Оптимальными конструктивными параметрами заявленной ШПА являются средние значения указанных выше интервалов этих параметров.
Экспериментальная проверка возможности достижения указанного технического результата была выполнена путем сравнительных измерений качества согласования КБВ и ДН заявленной ШПА при следующих условиях:
max
ф
c
к
Для заявленной ШПА: λ=1 м, волновое сопротивление фидера ρ=50 Ом; H=H=160 мм; α=70°; β=25°; диаметр проводника КС 2 выбран равным 2 мм.
Для прототипа:
max
ф
к
λ=1 м; ρ=50 Ом; H=160 мм; α=70°.
Результаты измерений, приведенные на фиг.3 (КБВ) и фиг.4 (ДН), дают основание для следующих выводов.
к
к
При равных физических высотах заявленной ШПА и прототипа у заявленной антенны уровень КБВ≥0,4 обеспечивается, начиная с электрического размера H/λ=0,16, у прототипа с H/λ=0,25. Т.е. при равных требованиях по КБВ заявленная антенна обладает на 17% меньшими электрическими размерами, чем у прототипа.
Это указывает на расширение рабочего диапазона в сторону низких частот. Приведенные на фиг.4 результаты измерений ДН ШПА подтверждают возможность неискаженного формирования диаграммы, аналогичной, как и для несимметричного конического вибратора.
Полученные результаты измерений подтверждают возможность достижения указанного технического результата при использовании заявленной антенны.