Широкополосная вибраторная антенна с частотно-зависимым ферритовым сердечником

Предлагаемое устройство относится к антенной технике и может быть использовано в качестве передающей и приёмной широкополосной антенны КВ и УКВ диапазона.
Известны антенны, в которых диапазон рабочих частот расширяется включением, в разрывы вибраторной штыревых антенн, резистивных, емкостных и индуктивных элементов (И.С. Кукес, М.Е. Старик / Основы радиопеленгации/Изд. "Советское радио", Москва 1964- стр.86). Наряду с этим, известны также модифицированные варианты таких антенн, обеспечивающие большую широкополосность (пат. РФ 2488927, Н01Q 9/18 2012; US 8 779 996 B2, Н01Q 9/16, 2014). Недостатком таких антенн является сложность в изготовлении и настройке.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому устройству является антенна по патенту 2042991, Н01Q 9/18, 1995, принятая за прототип.
Схема устройства-прототипа приведена на фиг. 1, где обозначено:
1 – верхний стержень;
4 – согласующее устройство;
5 – основание-противовес;
6 – нижний стержень;
7 – верхний отрезок проводящей трубы;
8 – средний отрезок проводящей трубы;
9 – нижний отрезок проводящей трубы;
10 – катушка индуктивности;
11 – цилиндрическая спираль;
12 – диэлектрическая крепёжная часть.
Устройство-прототип состоит из верхнего 1 и нижнего 6 коллинеарных стержней и соосных с ними цилиндрической спирали 11, диэлектрической крепёжной части 12 и проводящей трубы, выполненной из отрезков: нижнего 9, среднего 8 и верхнего 7. Нижний отрезок трубы 9 имеет электрический контакт с основанием-противовесом 5, на которой установлена антенна. Между верхним стержнем 1 и верхним отрезком проводящей трубы 7 включена катушка индуктивности 10. Во внутренней полости среднего отрезка проводящей трубы 8 размещено согласующее устройство 4.
Устройство-прототип работает следующим образом.
На нижних частотах, в силу значительной величины сопротивления ёмкостных зазоров между стержнями и между отрезками проводящей трубы, антенна представляет собой вибратор, состоящий из двух плеч, с индуктивной нагрузкой. Нижнее плечо вибратора – отрезок проводящей трубы 9 и выступающая из него часть стержня 6. Верхнее плечо вибратора – верхний отрезок проводящей трубы 7. Дополнительная катушка 10 с определённой индуктивностью позволяет увеличить электрическую длину верхнего плеча, а так же помогает осуществить настройку рабочей частоты, совместно с цилиндрической спиралью 11. Ввиду значительного сопротивления емкостного зазора между нижним 9 и верхним 8 отрезками проводящей трубы, согласующее устройство 4 в области нижних частот выполняет функции удлинения излучателя.
В области верхних частот рабочего диапазона, в силу малого сопротивления емкостных зазоров, антенна представляет собой антенну верхнего питания, составленную из двух плеч. Нижнее плечо – отрезки проводящей трубы 9 и 8. Верхнее плечо – верхний стержень 1, снабжённый кольцевым индуктивным шлейфом из верхнего отрезка проводящей трубы 7, возбуждение которого обеспечивается дополнительной катушкой индуктивности 10. Соотношение длин верхнего и нижнего плеч составляет 2:1. Согласующее устройство 4 позволяет расширить частотный диапазон антенны.
Таким образом, при помощи сложной конфигурации множества реактивных элементов, обеспечивается расширение рабочей полосы частот антенны и её согласование в широком диапазоне частот.
Недостатками устройства-прототипа являются технологическая и конструктивная сложность изготовления, настройки, а так же сложность выбора номинала индуктивных вставок и размеров проводящей трубы в зависимости от условий, требующие оптимизации конструкции антенны на ЭВМ.
Задачей предлагаемого устройства является расширение рабочей полосы частот антенны при упрощении её конструкции, технологии изготовления и настройки устройства.
Для решения поставленной задачи в антенну, состоящую из тонкого металлического стержня, закреплённого вертикально на проводящем основании-противовесе, согласно полезной модели, введены ферритовые кольца, помещённые в чехол и закрепленные на стержне.
На фиг. 2 представлена схема предлагаемого устройства, где обозначено:
1 – тонкий металлический стержень;
2 – ферритовые кольца;
3 – чехол;
4 – согласующее устройство;
5 – основание-противовес.
Предлагаемое антенное устройство содержит тонкий металлический стержень 1, соединённый с согласующим устройством 4, закреплённым на металлическом основании-противовесе 5. На стержне 1 закреплены ферритовые кольца 2, образующие сердечник, закрытые предохраняющим от механических воздействий и влияния погодных условий чехлом 3.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
При подаче широкополосного сигнала на вход антенны (к точке входа между согласующим устройством 4 и основанием-противовесом 5) в антенне возбуждаются токи, приводящие к возбуждению электромагнитного поля в ближней зоне антенны.
1
За счёт влияния ферритовых колец 2, образующих сердечник, увеличивается запас магнитной энергии и, следовательно, уменьшается разность значений электрической и магнитной составляющих энергии общего электромагнитного поля. Значение комплексной магнитной проницаемости используемых ферритовых колец 2 выбирается за границами критических частот, то есть на нелинейном участке характеристики зависимости магнитной проницаемости от частоты. В таком случае, действительная часть магнитной проницаемости μ начинает падать с ростом частоты. Это приводит к соответствующему падению значения эквивалентной индуктивности  участка антенны с установленными ферритовыми кольцами. Индуктивное сопротивление этого участка антенны с ростом частоты стабилизируется: .
Таким образом создаются условия для достаточно простого и эффективного согласования импедансов передатчика и предлагаемой антенны. Согласующее устройство 4 предлагается осуществлять с помощью трансформатора типа длинной линии (ТДЛ) с короткозамкнутой диагональю. Конструктивно ТДЛ выполнен на коаксиальном кабеле и располагается в основании предлагаемой антенны.
1
2
Вследствие магнитных потерь (, где μ и μ– действительная и мнимая части комплексной магнитной проницаемости соответственно) в ферритовом сердечнике, запас реактивной энергии электромагнитного поля ближней зоны уменьшается, в результате чего падает добротность антенны, поэтому резонанс перестаёт быть ярко выраженным на одной частоте. Таким образом происходит расширение диапазона рабочих частот.
Например, при использовании ферритовых колец релаксационного типа марки 400НН относящегося к группе Ni–Zn, достигается частотное перекрытие 6.5 (В диапазоне частот 20…130 МГц) при эффективности антенно-фидерного тракта порядка 70% (КСВН≤3,5). Место установки ферритового сердечника на вибраторе определяется экспериментально исходя из заданного расположения антенны на носителе при оптимальном коэффициенте стоячей волны по напряжению (КСВН).
Таким образом, по сравнению с прототипом, предлагаемое устройство обладает большой широкополосностью при конструктивной и технологической простоте. Кроме того, в отличие от прототипа, расположение ферритовых колец на металлическом штыре антенны легко подобрать экспериментально, что значительно сокращает время разработки и настройки антенны, в отличие от выбора расположения, размеров и номиналов множества реактивных элементов и отрезков металлической трубки.