БИКОНИЧЕСКАЯ АНТЕННА С БИКОНИЧЕСКИМ ОТРАЖАТЕЛЕМ
BICONICAL ANTENNA WITH BICONICAL REFLECTOR

Изобретение относится к антенной технике, а именно к широкодиапазонным антеннам.
Известна биконическая антенна [1], состоящая из двух металлических конусов, соединенных вершинами.
Известна биконическая антенна [2], состоящая из двух металлических конусов, соединенных вершинами, и содержащая N шунтов, выполненных в виде отрезков проводников из двух разных частей, смещенных одна относительно другой на угол α=360°/2N, расположенных с равным угловым смещением вокруг оси конусов и соединенных одна с другой посредством введенных проводящих перемычек, размещенных в плоскости, проходящей через вершину конусов перпендикулярно их оси.
Известна биконическая антенна [3], содержащая два соосных металлических конуса, обращенных вершинами друг к другу, питающую линию, подключенную к внешним конусам, и шунты, расположенные перпендикулярно основаниям металлических полых конусов и соединяющие их кромки, диэлектрический шар, центр которого расположен на оси металлических полых конусов между их вершинами, при этом в диэлектрическом шаре выполнены два соосных конических углубления, обращенных вершинами к центру диэлектрического шара и сопряженных соответственно с поверхностью металлических полых конусов.
обр
Биконические антенны [1], [2], [3] имеют общий недостаток - сравнительно низкий коэффициент усиления в азимутальной плоскости при больших размерах самой биконической антенны и узкий диапазон рабочих частот. Это подтверждается тем, что для получения диаграммы направленности, в частности, биконической антенны [1] с максимумом, расположенным в горизонтальной плоскости, длина образующей конуса (L) должна быть значительно больше половины максимальной длины волны, поскольку при длине образующей конуса, равной половине длины волны, максимумы диаграммы направленности расположены перпендикулярно образующим конусов. Из приведенного графика (фиг.9) и диаграммы направленности в угломестной плоскости (фиг.10) видно, что для получения диаграммы направленности с максимумом в горизонтальной плоскости минимальная длина образующей конуса (определяющая габаритные размеры антенны) должна составлять  Максимум диаграммы направленности в горизонтальной плоскости при увеличении частоты (уменьшении длины волны) сохраняется до значений  или  При дальнейшем увеличении частоты максимумы диаграммы направленности располагаются по направлениям образующих конусов. Это хорошо видно на графике (фиг.11) и диаграмме направленности в угломестной плоскости (фиг.12). Таким образом, коэффициент перекрытия, характеризующий диапазон рабочих частот, для биконической антенны [1] составляет
Предлагаемое в настоящем изобретении конструктивно-техническое решение антенно-фидерного устройства парирует изложенные выше недостатки, присущие рассмотренным типам биконических антенн, и обеспечивает: формирование круговой в азимутальной плоскости диаграммы направленности в широком диапазоне частот при значениях коэффициента усиления, близких максимальным значениям классической биконической антенны; управление в угломестной плоскости формой диаграммы направленности в интересах ориентирования линии максимального усиления, исходящей из геометрического центра, под углом к азимутальной плоскости; уменьшения габаритных размеров по сравнению с классической биконической антенной.
С целью реализации декларируемых выше отличительных качеств предлагаемое устройство выполнено в виде биконической антенны с размещенными между двумя внешними обращенными друг к другу вершинами металлическими полыми конусами, основания каждого из которых соединены с металлическими обечайками, усеченная вершина - с металлической втулкой, металлическим отражателем, представляющим собой два соосных металлических полых конуса, основания которых обращены друг к другу и соединены между собой, а усеченные вершины соединены между собой металлической втулкой, которая внутренней поверхностью взаимодействует с диэлектрической (изолирующей) втулкой, контактирует внутренней поверхностью с наружными поверхностями металлических втулок внешних металлических полых конусов, через полость одной из которых проходит питающая коаксиальная линия, взаимодействующая внутренним проводником с металлической втулкой одного, а наружным проводником - с металлической втулкой другого внешних металлических полых конусов.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 показана биконическая антенна с биконическим отражателем, на фиг.2 показан наружный верхний конус, на фиг.3 показан наружный нижний конус, на фиг.4 показан биконический отражатель, на фиг.5 показана биконическая антенна с биконическим отражателем с постоянным смещенным соединением с питающей линией, на фиг.6 показан вариант выполнения соединения биконической антенны с биконическим отражателем переменным (управляемым) соединением с питающей линией, на фиг.7 показан вид А, на фиг.8 показан вид Б, на фиг.9 показан график зависимости коэффициента усиления биконической антенны, имеющей диаметр 770 мм (длину образующей конуса 421,1 мм), на фиг.10 показана диаграмма направленности в угломестной плоскости биконической антенны, имеющей диаметр 770 мм (длину образующей конуса 421,1 мм), на фиг.11 показан график зависимости коэффициента усиления биконической антенны, имеющей диаметр 2310 мм (длину образующей конуса 1264 мм), на фиг.12 показана диаграмма направленности в угломестной плоскости биконической антенны, имеющей диаметр 2310 мм (длину образующей конуса 1264 мм), на фиг.13 показан график полученных результатов зависимости коэффициента усиления в горизонтальной плоскости для биконической антенны с биконическим отражателем и биконической антенной трех габаритных размеров (⌀ 3800 мм, h 1700 мм; ⌀ 2350 мм, h 1030; ⌀ 770, h 343), на фиг.14 показана диаграмма направленности в угломестной плоскости для биконической антенны с биконическим отражателем в широком диапазоне частот, на фиг.15 показан график коэффициента стоячей волны по напряжению широком диапазоне частот биконической антенны с биконическим отражателем.
Биконическая антенна с биконическим отражателем состоит из металлического полого конуса 1, биконического отражателя 2, металлического полого конуса 3 и питающей линии 4.
Металлический полый конус 1 состоит из усеченного конуса 1.1, основание которого соединено с обечайкой 1.2, а вершина - с втулкой 1.3.
Металлический полый конус 3 состоит из усеченного конуса 3.1, основание которого соединено с обечайкой 3.2, а вершина - с втулкой 3.3.
Биконический отражатель 2 состоит из усеченного конуса 2.1, усеченного конуса 2.2, основания которых соединены между собой, а вершины соединены с втулкой 2.3, проходящей через полость, образуемую усеченными конусами 2.1, 2.2, и взаимодействующей с диэлектрической втулкой 2.4.
Внутренняя поверхность диэлектрической втулки 2.4 взаимодействует с наружной поверхностью втулки 1.3 металлического полого конуса 1 и наружной поверхностью втулки 3.3 металлического полого конуса 3. Между втулкой 1.3, соединенной вершиной металлического полого конуса 1, и втулкой 3.3, соединенной вершиной металлического полого конуса 3, имеется зазор, который расположен в плоскости контакта оснований усеченного конуса 2.1 и усеченного конуса 2.2 биконического отражателя 2.
Питающая линия 4 проходит внутри втулки 3.3 металлического полого конуса 3 в зону, образованную торцами втулок 1.3 и 3.3, где соединяется внутренним проводником 4.1 с втулкой 1.3 металлического полого конуса 1, а наружным проводником 4.2 - с втулкой 3.3 металлического полого конуса 3.
У биконической антенны с биконическим отражателем металлический полый конус 1 и металлический полый конус 3 являются активными элементами, а биконический отражатель 2 - пассивный элемент. При подаче на активные элементы питания между металлическим полым конусом 1 и биконическим отражателем 2 также между металлически полым конусом 3 и биконическим отражателем 2 возникает электромагнитное поле изучаемого сигнала. Так как подсоединение питающей линии 4 с металлическим полым конусом 1 и металлическим полым конусом 3 осуществляется на линии плоскости соединения оснований усеченного конуса 2.1 и усеченного конуса 2.2, то возникает синфазное излучение электромагнитных волн, что обеспечивает сложение векторов электромагнитного излучения в дальней зоне в азимутальной плоскости.
На графике (фиг.13) приведены полученные результаты зависимости коэффициента усиления в горизонтальной плоскости для биконической антенны с биконическим конусом и биконической антенной трех габаритных размеров.
Из графика (фиг.13) видно, что предлагаемая биконическая антенна с биконическим отражателем по коэффициенту усиления в верхней части диапазона значительно превосходит биконические антенны, а в нижней части диапазона сравнима с биконическими антеннами с диаметром 3800 мм и высотой 1700 мм. Размеры же предлагаемой биконической антенны с биконическим отражателем - диаметр d=770 мм, высота h=770 мм, а коэффициент перекрытия биконической антенны с биконическим отражателем  что примерно в три раза больше, чем у биконической антенны. На диаграмме направленности в угломестной плоскости (фиг.14) видно, что максимум диаграммы направленности биконической антенны с биконическим конусом расположен в горизонтальной плоскости во всем диапазоне частот, при этом коэффициент стоячей волны (фиг.15) по напряжению во всем рабочем диапазоне частот - КСВН≤2.
Возможен вариант выполнения биконической антенны с биконическим отражателем, когда втулка 1.3 металлического полого конуса 1 короче, а втулка 3.3 металлического полого конуса 3 длиннее, то есть зона соединения питающей линии 4 с металлическим полым конусом 1 и металлическим полым конусом 3 расположена на некотором расстоянии от плоскости соединения основания усеченного конуса 2.1 и усеченного конуса 2.2 биконического отражателя 2. В этом случае при подаче питания на активные элементы металлический полый конус 1 и металлический полый конус 3 возникает несинфазное когерентное излучение электромагнитных волн, что производит к сложению векторов электромагнитного излучения в дальней зоне под углом к азимутальной плоскости (фиг.16).
Возможен вариант выполнения биконической антенны с биконическим отражателем, когда втулка 1.3 металлического полого конуса 1 и втулка 3.3 металлического полого конуса 3 выполнены короче, а внутренняя поверхность втулки 1.3 контактирует с втулкой 5 и внутренняя поверхность втулки 3.3 контактирует с втулкой 6. Питающая линия 4 проходит внутри втулки 6 в зону, образуемую торцами втулок 5 и 6, где соединяется внутренним проводником с втулкой 6, а наружным проводником с втулкой 5. Такое решение позволяет изменить положение места соединения питающей линии 4 с металлическим полым конусом 1 и металлическим полым конусом 3, что обеспечивает изменения угла направления максимального электромагнитного излучения в угломерной плоскости.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает: формирование круговой в азимутальной плоскости диаграммы направленности в широком диапазоне частот при значениях коэффициента усиления, близких максимальным значениям классической биконической антенны; управление в угломестной плоскости формой диаграммы направленности в интересах ориентирования линии максимального усиления, исходящей из геометрического центра, под углом к азимутальной плоскости; уменьшения габаритных размеров по сравнению с классической биконической антенной.
Литература
1. Айзенберг Г.З. и др. Антенны УКВ. Под ред. Г.З. Айзенберг. В 2-х ч. Часть 1. - М.: Связной. - 1977. - 384 с. с ил. (с.180, рис.13.24).
5
2. Патент на изобретение RU №2022428, Биконическая антенна, МПКH01Q 13/04, опубликован 30.10.1994.
7
3. Патент на изобретение RU №2221316, Биконическая антенна, МПКH01Q 13/04, опубликован 10.01.2004.