ДВУХПОРТОВАЯ ДВУХДИАПАЗОННАЯ АНТЕННА ДЛЯ ДИАПАЗОНОВ ДКМВ И ДМВ2
DUAL-PORT DUAL-BAND ANTENNA FOR RANGES OF HFW AND UHW2

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антеннам приемопередающих устройств для связи между стационарными объектами или наземными объектами с изменяющимся во времени их взаимным расположением, функционирующих одновременно или раздельно во времени в диапазонах ДКМВ и ДМВ2. Кроме того, изобретение относится к антеннам с вертикальной поляризацией и круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости.
Из уровня техники известен следующий принцип построения двухпортовых двухдиапазонных антенн с круговой диаграммой направленности и вертикальной поляризацией. В основании антенны, имеющей единственный штыревой излучатель, располагается широкополосное согласующее устройство (ШСУ), которое обеспечивает согласование антенны во всей рабочей полосе частот. Далее рабочий диапазон с помощью дуплексного радиочастотного фильтра, также размещенного в основании антенны, делится на 2 поддиапазона.
Антенны, построенные по этому принципу, имеют существенные недостатки:
- использование единственного широкополосного согласующего устройства для обоих поддиапазонов не позволяет получить достаточно большую полосу рабочих частот с приемлемым коэффициентом усиления во всей полосе, поэтому интервал между диапазонами ограничен полосой согласования ШСУ. Усложняется конструкция ШСУ, возрастают вносимые им потери;
- единственный излучатель не может одинаково хорошо работать в обоих диапазонах. На верхнем диапазоне главный лепесток диаграммы направленности начинает дробиться, когда длина излучателя превышает половину длины волны.
Известна антенна AD-18/D-3512-DF фирмы TRIVAL ANTENE (Словения), работающая в диапазонах частот 30-108 и 225-512 МГц. Из данных производителя известно, что коэффициент усиления антенны AD-18/D-3512-DF в рабочем диапазоне частот меняется от минус 6 до плюс 2,8 дБ. Антенна построена с использованием единственного излучателя, общего для двух диапазонов широкополосного согласующего устройства, выполненного в виде широкополосного трансформатора с кольцевым ферритовым сердечником и разделительного радиочастотного фильтра, размещенных в основании, и имеет все описанные выше недостатки.
Наиболее близкой к заявляемому техническому решению является двухпортовая двухдиапазонная антенна согласно заявке на патент США US 2010283699 (опубликована 06.05.2009; МПК H01Q 5/00, H01Q 9/16), содержащая первый излучатель для одного диапазона и второй излучатель для другого диапазона. Первый излучатель для одного диапазона выполнен на основе несимметричного вертикально ориентированного диполя из цилиндрических элементов и коаксиального кабеля, пропущенного внутри цилиндрического элемента, при этом длина верхнего цилиндрического элемента исполнена меньшей, чем длина нижнего цилиндрического элемента. Эта антенна включает шесть излучающих цилиндрических элементов различной длины, объединенных в диполи и соединенных между собой дросселями в виде меандрообразных линий. Антенна функционирует в трех диапазонах: 30-190, 225-450 и 700-2000 МГц. По сути, диапазоны частот 30-190 и 225-450 МГц являются одним сплошным диапазоном, имеющим существенный недостаток - отсутствие приема (передачи) частот в области от 190 до 225 МГц. Это отсутствие приема (передачи) по существу является «провальной» областью диапазона частот, простирающегося от 190 до 225 МГц между границами диапазона 30-450 МГц. Сигналы диапазона 700-2000 МГц снимаются с первого порта, а диапазонов 30-190 и 225-450 МГц - со второго.
Ограничениями известного устройства-аналога являются:
- недостаточно широкая полоса частот в диапазоне ДМВ2 и невозможность функционирования в диапазоне 1,5-30 МГц ДКМВ, обычно используемого большинством бортовых и передвижных радиостанций;
- объединенный секционированный излучатель не может эффективно работать во всех трех диапазонах. В верхнем диапазоне главный лепесток диаграммы направленности начинает дробиться, когда длина объединенного излучателя превышает половину длины волны;
- невозможность одновременного использования диапазонов ДКМВ и ДМВ2 из-за большого разноса по частоте;
- недостаточно высокий коэффициент усиления в направлении горизонта;
- сложность конструкции из-за использования меандрообразных дросселей между цилиндрическими элементами, других согласующих элементов и многочисленных распаек коаксиальной линии к шести цилиндрическим элементам.
Решаемая настоящим изобретением задача заключается в улучшении технико-эксплуатационных характеристик многодиапазонной антенны.
Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является возможность одновременного использования диапазонов с большим разносом по частоте, например диапазонов ДКМВ и ДМВ2, а также расширение полосы рабочих частот в диапазоне ДМВ2, улучшение формы диаграммы направленности, повышение коэффициента усиления и упрощение конструкции антенны.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в заявляемой двухпортовой двухдиапазонной антенне, содержащей первый излучатель для первого диапазона и второй излучатель для второго диапазона, первый излучатель для первого диапазона выполнен на основе несимметричного вертикально ориентированного диполя из цилиндрических элементов и коаксиального кабеля, пропущенного внутри цилиндрического элемента, причем длина верхнего цилиндрического элемента меньше, чем длина нижнего цилиндрического элемента. Согласно изобретению цилиндрические элементы первого излучателя выполнены в виде верхнего и нижнего стаканов. Нижний стакан выполнен перевернутым, а его днище обращено к днищу верхнего стакана. Выходящий из нижнего стакана коаксиальный кабель подсоединен к разъему первого порта, а его оплетка соединена с днищем нижнего стакана. Центральная жила коаксиального кабеля через отверстие в днище нижнего стакана соединена с днищем верхнего стакана. Внутри верхнего стакана установлен ступенчатый стержень, электрически связанный с днищем верхнего стакана и конец которого расположен снаружи верхнего стакана. Диаметр ступенчатого стержня у днища верхнего стакана больше, чем диаметр ступенчатого стержня с концом, расположенным снаружи. Второй излучатель для второго диапазона выполнен в виде несимметричного вибратора, подсоединенного через дроссель к верхнему краю проводящей рамки, вертикально ориентированной и охватывающей с зазором первый излучатель, а нижний край проводящей рамки подсоединен к разъему второго порта.
Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых:
- проводящая рамка выполнена прямоугольной формы из провода;
- несимметричный вибратор выполнен съемным;
- в качестве несимметричного вибратора использованы жесткий металлический стержень, сплошной или из сочленяющихся звеньев, или металлические катушки, нанизанные на гибкий стальной трос, или металлизированный диэлектрический стержень, или проволочный жгут.
Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются на частном варианте исполнения устройства со ссылками на фигуру.
Фигура 1 схематично изображает конструкцию двухпортовой двухдиапазонной антенны согласно изобретению.
Двухпортовая двухдиапазонная антенна содержит первый излучатель 1 для первого диапазона (ДМВ2) и второй излучатель 2 для второго диапазона (ДКМВ). Первый излучатель 1 и второй излучатель 2 выполнены раздельными. Первый излучатель 1 для первого диапазона (ДМВ2) выполнен на основе несимметричного вертикально ориентированного диполя, состоящего из нижнего цилиндрического элемента 3, верхнего цилиндрического элемента 4 и коаксиального кабеля 5, пропущенного внутри нижнего цилиндрического элемента 3. Длина верхнего цилиндрического элемента 4 выбрана меньшей, чем длина нижнего цилиндрического элемента 3.
Указанные цилиндрические элементы 3, 4 первого излучателя выполнены в виде двух стаканов.
Нижний стакан, т.е. нижний цилиндрический элемент 3, выполнен перевернутым, а его днище обращено к днищу верхнего стакана, т.е. к днищу верхнего цилиндрического элемента 4. Выходящий из нижнего стакана коаксиальный кабель 5 подсоединен к разъему 6 первого порта, а его оплетка соединена с днищем нижнего стакана. Центральная жила коаксиального кабеля 5 через отверстие в днище нижнего стакана соединена с днищем верхнего стакана. Внутри верхнего стакана установлен ступенчатый стержень 7, сформированный двумя цилиндрическими элементами разного диаметра, электрически связанный с днищем верхнего стакана и конец которого, удаленный от днища верхнего стакана, расположен снаружи верхнего стакана. Диаметр ступенчатого стержня 7 у днища верхнего стакана выбран большим, чем диаметр ступенчатого стержня 7 с концом, расположенным снаружи.
Второй излучатель 2 для второго диапазона (ДКМВ) выполнен в виде несимметричного вибратора 8, подсоединенного через дроссель 9 к верхнему краю проводящей рамки 10, ориентированной вертикально и охватывающей с зазором первый излучатель 1. Нижний край проводящей рамки 10 подсоединен к разъему 11 второго порта.
Проводящая рамка 10 может быть выполнена прямоугольной формы из провода (предпочтительно, достаточно жесткого), или ее проводники могут быть нанесены печатным методом на диэлектрическую плату с соответствующей прорезью в центральной области для размещения в ней первого излучателя 1, или проводящая рамка 10 может быть соединена диэлектрическими перемычками с цилиндрическими элементами 3, 4, и т.п.
Несимметричный вибратор 8 может быть выполнен съемным для уменьшения продольных размеров устройства в нерабочем состоянии.
В качестве несимметричного вибратора 8 может быть использован жесткий металлический стержень, сплошной или из сочленяющихся звеньев, или металлические катушки, нанизанные на гибкий стальной трос (антенна Куликова), или металлизированный диэлектрический стержень, или проволочный жгут, и т.п.
Работает двухпортовая двухдиапазонная антенна для диапазонов ДКМВ + ДМВ2 следующим образом.
Первый излучатель 1 (ДМВ2) работает во всем диапазоне от 500 до 2500 МГц с коэффициентом стоячей волны КСВ не более 3,0 и коэффициентом усиления Ку от минус 2 до 3 дБ в направлении горизонта.
Второй излучатель 2 (ДКМВ) предназначен для работы с внешним согласующим антенным устройством (САУ) и работает в диапазоне от 1,5 до 30 МГц с КСВ не более 2,5 и Ку до 3 дБ.
В отличие от имеющихся аналогов предлагаемая антенна получена объединением ранее неизвестным образом двух отдельных излучателей в двухдиапазонную двухпортовую антенну.
Первый излучатель 1 (ДМВ2) представляет собой несимметричный вертикальный диполь и выполнен в виде системы внешних и внутренних излучателей, по которым распределяются токи в зависимости от частоты.
Портом первого излучателя 1 является разъем 6. Коаксиальный кабель 5 от разъема 6 проходит внутри полого нижнего цилиндрического элемента 3, представляющего собой перевернутый стакан, или нижний стакан, являющегося нижним плечом несимметричного диполя. Оплетка коаксиального кабеля 5 присоединяется к днищу нижнего стакана, а центральная жила коаксиального кабеля 5 в изоляции проходит через отверстие в днище нижнего стакана и присоединяется снаружи к днищу верхнего стакана (т.е. днищу верхнего цилиндрического элемента 4), являющегося частью верхнего плеча несимметричного диполя. Внутри верхнего стакана установлен ступенчатый стержень 7, проводящий и выполняющий функцию внутреннего излучателя, электрически связанный с днищем верхнего стакана, причем конец более тонкой части ступенчатого стержня 7 расположен снаружи верхнего стакана.
В высокочастотной части диапазона частот ДМВ2 основным излучателем является более короткий верхний стакан (верхний цилиндрический элемент 4). В низкочастотной части «работает», в основном, ступенчатый стержень 7. Разделение первого излучателя 1 по длине на два параллельных коаксиальных элемента не только расширяет диапазон рабочих частот, но и позволяет значительно уменьшить дробление главного лепестка диаграммы направленности в высокочастотной части диапазона. Кроме того, за счет того, что ступенчатый стержень 7 имеет конструкцию с различными внешними диаметрами, дополнительно улучшается диаграмма направленности, которая получается без дробления главного лепестка за счет уменьшения эффекта появления противофазных токов, когда длина излучателя превышает половину длины волны.
Диаметры верхнего цилиндрического элемента 4 и нижнего цилиндрического элемента 3 выбраны минимально достаточными для обеспечения необходимой полосы рабочих частот 500-2500 МГц.
Для подведения питания к несимметричному вибратору 8 второго излучателя 2 для обеспечения работы антенны в диапазоне ДКМВ используется проводящая рамка 10 - своеобразный обтекатель первого излучателя 1 (ДМВ2) из двух тонких проводников, проходящих диаметрально противоположно друг другу относительно первого излучателя 1 и с зазором между указанными проводниками и первым излучателем 1. Толщина проводников проводящей рамки 10 выбрана минимально возможной для уменьшения влияния на первый излучатель 1. Величина зазора выбрана обеспечивающей минимальное влияние проводников проводящей рамки 10 на первый излучатель 1.
Проводники проводящей рамки 10 соединены параллельно, а нижняя точка их соединения подключена к разъему 11 второго порта части ДКМВ. Верхняя точка их соединения через дроссель 9 (развязывающий) подключается к несимметричному вибратору 8 (ДКМВ). Индуктивность дросселя 9 выбрана равной примерно 0,25 мкГн из соображений минимального влияния части ДКМВ на часть ДМВ2 на нижней границе диапазона ДМВ2. В диапазоне ДКМВ столь малая индуктивность не оказывает существенного влияния на входной импеданс несимметричного вибратора 8 и позволяет использовать уже существующие САУ.
Наиболее успешно заявленная двухпортовая двухдиапазонная антенна для диапазонов ДКМВ и ДМВ2 применяется для связи между стационарными объектами или подвижными объектами, например передвижными радиостанциями.