АНТЕННА
ANTENNA

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в антенно-фидерных устройствах, преимущественно когда приемопередатчик установлен на мобильном объекте, например автомобиле, судне и т.п. Изобретение может быть использовано при работе в диапазоне волн, где длина рабочей волны большая относительно размеров антенны.
0
Практика использования средств радиосвязи, особенно тех, которые размещаются на подвижных объектах наземного, морского и воздушного типов или потребителями которых являются непосредственно перемещающиеся люди, постоянно испытывает потребность в уменьшении размеров антенны в сопоставлении со средней рабочей длиной волны λ.
0
∑
Теория о построении антенн трактует вопрос об их размерах однозначно: длина L излучателя или его высота h должна быть, по крайней мере, близка к L≅λ/4. С уменьшением мощности, развиваемой передатчиком на выходе, квадратично убывает R - сопротивление излучения антенны по мере уменьшения длины ее проводников, а входное сопротивление антенны вырождается в реактивность.
Например, известные петлевые антенны имеют достаточно большую высоту (Айзенберг Г.З. и др. Коротковолновые антенны. М.: Радио и связь, 1985).
0
В настоящее время, по сведению заявителя, наименьшее значение отношения h/λ≅1/24 имеет антенна, выполненная по патенту РФ на изобретение №2231179 (Патент РФ №2231179, H01Q 7/00, опубл. 20.06.2004).
В этом техническом решении антенна содержит отрезок коаксиального кабеля, с одного конца которого центральный проводник предназначен для подключения к генератору или приемнику, а с другого конца которого оплетка предназначена для подключения к электропроводному основанию. Часть отрезка коаксиального кабеля выполнена в форме петли, расположенной в плоскости, параллельной электропроводному основанию. Концы петли загнуты и ортогональны электропроводному основанию. При этом две части отрезка коаксиального кабеля между петлей и ее загнутыми концами расположены в плоскости петли с обеспечением расположения загнутых концов вдоль продольной оси петли внутри нее.
0
Ограничением известного устройства является достаточно сложная петлевая конструкция и практическая невозможность получения соотношений для h/λ более 1/25.
Для заявленного технического решения наиболее близкой является антенна, содержащая емкостной элемент, индуктивный элемент, соединенные последовательно и выполненные соответственно в виде двух отрезков линии с распределенными параметрами, при этом внутренний проводник коаксиальной линии предназначен для подсоединения между емкостным элементом и индуктивным элементом (Патент США №4730195, H01Q 1/36, опубл. 08.03.1988).
В этом устройстве параллельно емкостному элементу подсоединен еще один элемент - дополнительная индуктивность, образующая с емкостным элементом параллельный контур. Параллельный контур подсоединен последовательно к индуктивному элементу, а наружный проводник коаксиальной линии предназначен для подсоединения к свободному концу параллельного контура.
Как следует из описания к патенту, в известном техническом решении не удается значительно уменьшить длину L (или высоту h) антенны. Кроме того, как следует из описания и заметно из представленных в этом патенте фигур, при практической реализации антенна имеет достаточно сложную конструкцию.
Решаемая изобретением задача - улучшение технико-эксплуатационных характеристик.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, - уменьшение высоты антенны и упрощение ее конструкции.
1
2
2
1
0
0
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известной антенне, содержащей емкостной элемент, индуктивный элемент, соединенные последовательно и выполненные соответственно в виде двух отрезков линии с распределенными параметрами, при этом внутренний проводник коаксиальной линии предназначен для подсоединения между емкостным элементом и индуктивным элементом, согласно изобретению наружный проводник коаксиальной линии предназначен для подсоединения к свободному концу отрезка линии индуктивного элемента, электрическая длина l отрезка линии индуктивного элемента до места подсоединения внутреннего проводника коаксиальной линии и электрическая длина l отрезка линии емкостного элемента от свободного ее конца до места подсоединения внутреннего проводника коаксиальной линии связаны соотношением l-l≅λ/4, где λ - средняя рабочая длина волны.
Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:
- емкостной элемент был выполнен из дисков, электропроводных и подковообразных, с радиальным промежутком между двумя краями для каждого диска и установленных в ряд, при этом край одного диска перемычкой (электропроводной) подсоединен к краю смежного диска, а перемычки вдоль ряда расположены с обеспечением электрического соединения противоположных краев относительно продольной оси смежных дисков в одном направлении;
- были введены диэлектрические шайбы, установленные между дисками;
- индуктивный элемент был выполнен из провода в виде катушки;
- диски и катушка были расположены на одной продольной оси, а наружный диаметр катушки был выбран большим, чем наружный диаметр дисков;
- был введен диэлектрический каркас, выполненный Т-образным, а диски, диэлектрические шайбы и катушка были расположены на нем снаружи;
- был введен диэлектрический обтекатель, установленный снаружи дисков и катушки и соединенный с диэлектрическим каркасом.
Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются лучшим вариантом его выполнения со ссылками на прилагаемые фигуры.
Фиг.1 изображает электрическую схему заявленного технического решения;
Фиг.2 - схематично заявленное устройство, выполненное по электрической схеме на фиг.1, с подсоединением токопроводящих элементов;
Фиг.3 - конструкцию подковообразного диска на фиг.2;
Фиг.4 - конструкцию технически реализованного устройства (без подключения коаксиального кабеля).
Антенна (фиг.1) содержит емкостной элемент 1 и индуктивный элемент 2, соединенные последовательно и выполненные соответственно в виде двух отрезков линии с распределенными параметрами. Внутренний проводник 3 коаксиальной линии 4 предназначен для подсоединения к месту (к точке А) между емкостным элементом 1 и индуктивным элементом 2.
1
2
2
1
0
0
Наружный проводник 5 коаксиальной линии 4 (фиг.1) предназначен для подсоединения к свободному концу отрезка линии индуктивного элемента 2 (заземленному через корпус или наружный проводник 5 коаксиальной линии 4) - к точке В. Электрическая длина l отрезка линии индуктивного элемента 2 до места подсоединения внутреннего проводника 3 коаксиальной линии 4 и электрическая длина l отрезка линии емкостного элемента 1 от свободного ее конца до места подсоединения внутреннего проводника 3 коаксиальной линии 4 связаны соотношением l-l≅λ/4, где λ - средняя рабочая длина волны.
Емкостной элемент 1 (фиг.2, 3, 4) может быть выполнен из дисков 6 - пластин из латуни или меди. Каждый из дисков 6 выполнен электропроводным и подковообразным, с радиальным промежутком между двумя его краями Диски 6 установлены в ряд, при этом край одного диска 6 перемычкой 7 (электропроводной лентой или проводом) подсоединен к краю смежного диска 6. Перемычки 7 вдоль ряда расположены с обеспечением электрического соединения противоположных краев С и D относительно продольной оси смежных дисков 6 в одном направлении (т.е. без скрещиваний, с током проводимости по винтовой кривой без смены направления -знака вращения).
В конструкцию могут быть введены диэлектрические шайбы 8 (фиг.4), установленные между дисками 6 и выполняющие функцию прокладок. Диэлектрические шайбы 8 могут быть выполнены, например, из пенопласта.
Индуктивный элемент 2 (фиг.2, 4) выполнен из провода, например медного, в виде катушки 9.
1
Диски 6 и катушка 9 расположены на одной продольной оси, а наружный диаметр D катушки 9 выбран большим, чем наружный диаметр d дисков 6.
В конструкцию может быть введен диэлектрический каркас 10, выполненный Т-образным, а диски 6, диэлектрические шайбы 8 и катушка 9 расположены на нем снаружи (фиг.4).
Кроме того, может быть введен диэлектрический обтекатель 11 (радиопрозрачный), установленный снаружи дисков 6 и катушки 9, соединенный с диэлектрическим каркасом 10 (фиг.4). На фиг.4 также показана гайка-прижим 12 (диэлектрическая).
Работает антенна следующим образом.
2
1
0
0
При подаче ЭДС на точки А и В (фиг.1, 2) при выполнении соотношения l-l=λ/4, где λ - средняя рабочая длина волны, ток, протекающий через емкостной элемент 1 и индуктивный элемент 2, становится согласованным в одном направлении от точки В до свободного конца емкостного элемента, что приводит к резонансу последовательного контура и обеспечивает согласование питающего фидера - коаксиального кабеля 4 с антенной.
Как показали экспериментальные исследования, при реализации антенны в виде последовательного контура происходит:
- отсечка фидерных токов, обычно приводящих к антенному эффекту при питании антенны коаксиальным кабелем 4 без применения симметрирующего устройства;
- «автоматическое» согласование с питающим коаксиальным кабелем 4 (конечно при наличии согласования этого фидера с выходом передатчика - генератора ЭДС);
- интенсивное излучение радиоволн в окружающее последовательный контур пространство;
- достигается минимальная высота h антенны и упрощение ее конструкции.
Специалистам понятно, что последовательный контур (фиг.1) конструктивно может быть реализован различным образом с помощью известных из уровня техники элементов.
1
На фиг.2, 4 показана конструкция, в которой емкостной элемент 1 (фиг.2, 3, 4) выполнен из дисков 6, а индуктивный элемент 2 - в виде катушки 9. Каждый из дисков 6 выполнен электропроводным и подковообразным (фиг.3). Диски 6 установлены в ряд. Край одного диска 6 перемычкой 7 подсоединен к краю смежного диска 6 (фиг.2). Перемычки 7 вдоль ряда расположены с обеспечением электропроводного соединения противоположных краев С и D относительно продольной оси смежных дисков 6 в одном направлении (точка D нижележащего диска 6 замкнута накоротко с точкой С вышележащего диска 6 для всех дисков 6, или, наоборот, точка С нижележащего диска 6 замкнута накоротко с точкой D вышележащего диска 6 для всех дисков 6, т.е. без пространственных скрещиваний). Для обеспечения удобства подсоединения коаксиального кабеля 4 и дополнительного уменьшения высоты h антенны диски 6 и катушка 9 расположены на одной продольной оси, а наружный диаметр D катушки 9 выбран большим, чем наружный диаметр d дисков 6.
На фиг.4 показан сборочный чертеж без подсоединения коаксиального кабеля 4, показанного на фиг.3.
Сборка осуществляется на диэлектрическом каркасе 10, выполненном Т-образным, - цельным или разъемным, (например, опора для катушки 9 может быть выполнена в виде диэлектрического колпачка с центральным отверстием, сквозь которое проходит ножка «Т»). Ножка «Т» на фигуре 4 обращена вверх (хотя она может быть обращена и вниз). На полку Т-образного диэлектрического каркаса 10 медным проводом навивают катушку 9. Затем на ножку «Т» надевают диски 6, отделяя один от другого диэлектрическими шайбами 8 (прокладками). Диэлектрической гайкой-прижимом 12 стягивают диски 6 и диэлектрические шайбы 8. Соединение дисков 6 перемычками 7, а также соединение нижнего диска 6 и катушки 9 осуществляют в соответствии с фиг.3. Устанавливают диэлектрический обтекатель 11, который соединяют механически или клеем с диэлектрическим каркасом 10. Как видно из фигуры 4, антенна характеризуется существенной простотой, как конструктивной, так и сборочной.
2
1
0
0
0
Условие l-l≅λ/4 позволяет обеспечить h/λ→min. Знак ≅ относительно знака = выбран потому, что средняя рабочая длина волны λ может отличаться от действительной на реальной частотной характеристике антенны (вследствие «паразитных» влияний, например таких, как неточность изготовления или влияния разводки коаксиального кабеля 4), но не более чем на 7%.
В варианте выполнения СМ-антенны (сверхмалой) удалось достичь:
0
0
0
h/λ=130 мм/11000 мм≅1/85. Такой баланс высоты и рабочей длины волны h/λ получен для существующего уровня техники впервые, и заявителю не известны другие технические решения, обеспечивающие подобные соотношения. Это опровергает теоретические положения о том, что высота h антенны не может быть меньше, чем h<<λ/4;
0
- коэффициент стоячей волны (КСВ) в питающем фидере с волновым сопротивлением Z=50 Ом (коаксиальном кабеле 4) КСВ=1,2. Эта величина КСВ присуща обычным антеннам, но в заявленном техническом решении она достигается без использования специальных элементов согласования питающего фидера.
1
2
Таким образом, для технической реализации антенны существенными особенностями настоящего изобретения являются использование последовательного колебательного контура, описанная выше подводка питания к ней и применение указанного соотношения для l и l.
Наиболее успешно заявленная антенна промышленно применима:
- на подвижных объектах связи, где ее малая высота необходима в силу функциональной специфики, присущей самому подвижному объекту;
- на стационарных объектах связи, где ее малая высота уменьшает эксплуатационные расходы и время, необходимые для изготовления, регламентных работ и ремонта самой антенны.