ДИАПАЗОННЫЙ УЛЬТРАКОРОТКОВОЛНОВЫЙ ВИБРАТОР
ULTRA-SHORT WAVE BAND DIPOLE

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антенной технике и, в частности, диапазонный ультракоротковолновый (УКВ) вибратор может быть использован в качестве приемной и/или передающей антенны совместно с широкодиапазонными УКВ радиостанциями.
Известна слабонаправленная диапазонная антенна по патенту РФ №2207673, опубл. 27.06.2003, состоящая из полого металлического конуса и расположенного над его вершиной, ортогонально его оси металлического проводника в форме металлического кольца, в плоскости которого расположена металлическая спираль. Внешний конец спирали электрически соединен с металлическим кольцом, а к центру спирали прикреплен центральный проводник коаксиального фидера, установленного в полости металлического конуса. Внешний проводник коаксиального фидера подключен к вершине металлического конуса.
Недостатком данного аналога являются его относительно большие электрические размеры, что ограничивает возможность его использования, например, на летательных аппаратах.
пмк
Известен также конический несимметричный вибратор, описанный в книге «Антенны УКВ», под ред. Г.З. Айзенберга. 4.1, - М.: «Связь», 1977, с.183-185. Вибратор состоит из полого металлического конуса (ПМК) высотой Н с углом при вершине α, установленного вертикально над проводящей поверхностью и обращенного к ней вершиной, дополнительного металлического конуса (ДМК), высотой h и с углом при вершине β. Основания ПМК и ДМК конгруэнтны, обращены друг к другу и электрически соединены. Коаксиальный фидер подключен центральным проводником к вершине ПМК, а экранной оболочкой к проводящей поверхности, над которой он установлен.
Недостатком данного аналога также являются его относительно большие электрические размеры.
Наиболее близким аналогом (прототипом) по своей технической сущности к заявленному УКВ вибратору является конический несимметричный вибратор по патенту РФ №2448395, опубл. 20.04.2012 г.
пмк
дмк
Ближайший аналог состоит из ПМК высотой Н с углом при вершине α, установленного вертикально над проводящей поверхностью и обращенного к ней вершиной, ДМК высотой Н и с углом при вершине β, установленного соосно с ПМК, коаксиального фидера, центральный проводник которого подключен к вершине ПМК, а внешний проводник к проводящей поверхности. При этом ДМК установлен внутри ПМК. Причем вершина ДМК совпадает с плоскостью разрыва ПМК, а его основание электрически соединено с внутренней поверхностью ПМК.
При таком исполнении прототип в сравнении с рассмотренными аналогами имеет меньшие электрические размеры.
пмк
max
Недостатком ближайшего аналога остаются все же его относительно большие электрические размеры, определяемые отношением его физической высоты Н к длине наибольшей рабочей волны λ.
пмк
max
Целью изобретения является разработка диапазонного УКВ вибратора, обладающего меньшими электрическими размерами, т.е меньшим соотношением Н/λ при одновременном обеспечении требуемого качества согласования.
пмк
дмк
пмк
дмк
пмк
пмк
max
дмк
пумк
дмк
пумк
пмк
Поставленная цель достигается тем, что в известном диапазонном УКВ вибраторе, содержащем ПМК высотой Н с углом при вершине α, установленный вертикально над проводящей поверхностью и обращенный к ней вершиной, ДМК высотой Н и с углом при вершине β, установленный в полости ПМК соосно с ним, причем вершина ДМК совпадает с плоскостью раскрыва ПМК, а основание ДМК электрически соединено с внутренней поверхностью ПМК, и коаксиальный фидер, центральный проводник которого подключен к вершине ПМК, а его экранная оболочка подключена к проводящей поверхности, дополнительно в полость ПМК установлен полый усеченный металлический конус (ПУМК), с углом при вершине γ. ПУМК установлен в полости ПМК соосно с ним и с ДМК. При этом ДМК размещен в полости ПУМК. Высота Н ПУМК равна высоте Н. Плоскость раскрыва меньшего основания ПУМК совмещена с плоскостью раскрыва ПМК, а большее основание ПУМК конгруэнтно основанию ДМК, совмещено и электрически соединено с ним. Высота Н выбрана из условия Н≥0,2λ. Углы α=45°-55°; β=45°-55°; γ=20°-30°. Высоты Н и Н выбраны из условия Н=Н=(0,4-0,6)Н.
Новая совокупность существенных признаков обеспечивает формирование вибратора с учетом принципа самодополнительности и увеличения пути протекания тока проводимости, что эквивалентно использованию верхней емкостной нагрузки, «встроенной» в габариты ПМК без увеличения его физических размеров, т.е. снижение электрических размеров вибратора.
Заявленный диапазонный УКВ вибратор поясняется чертежами, на которых показано:
на фиг.1 - общий вид вибратора;
на фиг.2 - рисунок, поясняющий работу вибратора;
на фиг.3 - результаты измерения качества согласования (КБВ);
на фиг.4 - результаты измерения ДН.
пмк
дмк
дмк
пумк
Заявленный диапазонный УКВ вибратор, показанный на фиг.1, состоит из ПМК 1 высотой Н, с углом при вершине α, ДМК 2 высотой Н и с углом при вершине β и ПУМК 3 высотой Н=Н и с углом при вершине γ. ПМК 1 установлен вертикально над проводящей поверхностью 4, и обращен к ней вершине. Коаксиальный фидер 5 центральным проводником подключен (точка «а») к вершине ПМК 1, а экранной оболочкой подключен (точка «б») к проводящей поверхности 4. В случае установки вибратора на законцовке элемента конструкции летательного аппарата, например самолета, ракеты и т.п. Он может быть закрыт радиопрозрачным обтекателем 6. ДМК 2 и ПУМК 3 размещены в полости ПМК 1 соосно с ним. В свою очередь ДМК 2 размещен в полости ПУМК 3. Плоскости раскрывов меньшего основания ПУМК 3, раскрыва ПМК 1 и вершина ДМК 2 совмещены. Большее основание ПУМК 3 конгруэнтно основанию ДМК 2. Оба основания совмещены друг с другом и электрически подключены к внутренней поверхности ПМК 1.
Заявленный диапазонный вибратор работает следующим образом.
пр
см
При подаче возбуждающей ЭДС по коаксиальному фидеру 5 (к точкам «а»-«б») высокочастотный (в.ч.) ток проводимости I протекает (см. фиг.2) от точки «а» по внешней поверхности ПМК 1, далее по его внутренней поверхности, внешней поверхности ПУМК 3, его внутренней поверхности, внешней поверхности ДМК 2, затем переходит в ток смещения I и замыкается через ток проводимости по проводящей поверхности 4 к точкам «б» коаксиального фидера 5. Траектория в.ч. тока показана на фиг.2 стрелками. Путь тока проводимости увеличивается за счет принятой конструкции, что эквивалентно «удлинению» вибратора по аналогии с использованием верхней емкостной нагрузки у обычных штыревых антенн. В данном случае емкостная нагрузка «упакована» в пределах габаритов ПМК 1.
пмк
дмк
пумк
пмк
max
дмк
пмк
пумк
пмк
Соотношения физических размеров элементов конструкции заявленного вибратора и их параметров Н, Н, Н, α, β, γ, при которых достигается указанный технический результат, были определены экспериментально и составили: Н≥0,2λ; Н=(0,4-0,6)Н; Н=(0,4-0,6)Н; α=45°-55°; β=45°-55°; γ=20°-30°.
Оптимальными значениями указанных параметров для достижения минимальных электрических размеров вибратора являются их средние значения в приведенных интервалах.
Проверка возможности достижения ожидаемого результата была выполнена путем сравнительных измерений качества согласования (коэффициента бегущей волны - КБВ) и формы диаграммы направленности (ДН) заявленного вибратора и прототипа при следующих условиях.
Для заявленного вибратора:
max
ф
пмк
дмк
пумк
λ=2,0 м; волновое сопротивление коаксиального фидера ρ=50 Ом; Н=0,4 м; Н=Н=0,2 м; α=52°; β=52°; γ=50°.
Для прототипа:
max
ф
пмк
λ=2,0 м; волновое сопротивление коаксиального фидера ρ=50 Ом; Н=0,4 м; α=47°; β=60°.
Результаты измерений, приведенные на фиг.3 (КБВ) и фиг.4 (ДН), дают основание для следующих выводов.
пмк
max
пмк
max
При равных физических размерах по высоте уровень КБВ≥0,4 обеспечивается у заявленной антенны, начиная с электрического размера Н/λ=0,24, у прототипа с электрического размера Н/λ=0,24, следовательно, в заявленном вибраторе достигается снижение электрических размеров более чем на 8%, что указывает на возможность достижения технического результата. Приведенные на фиг.4 результаты измерения ДН также указывают на возможность формирования неискаженной формы ДН.