ЧАСТОТНО-НЕЗАВИСИМЫЙ ВИБРАТОР
FREQUENCY-INDEPENDENT DIPOLE

Изобретение относится к области радиотехники, антенно-фидерной технике и может быть использовано для построения различных типов частотно-независимых радио и телевизионных антенн.
Использование изобретения позволяет построить различные типы частотно-независимых радио и телевизионных антенн с коэффициентом перекрытия частот по диапазону 20:1 при КСВ<2,5.
Антенный вибратор представляет собой симметричный электрический вибратор, излучающее плечо которого находится над пассивным плечом (основание). К пассивному плечу вибратора подсоединена внутренняя оплетка питающей линии в виде коаксиального кабеля, а к излучающему плечу вибратора - внутренний проводник этой же линии и емкость связи с согласующей цепью, выполненной на наружной стороне пассивного плеча вибратора в виде параллельного контура, состоящего из двух проводников, соединенных последовательно, и емкости контура, общий конец ее и одного из двух проводников согласующей цепи подсоединен к противоположному концу емкости связи с излучающим плечом вибратора, а другой конец емкости контура и согласующей цепи подсоединен к наружной стороне пассивного плеча вибратора.
Концы излучающего плеча вибратора и проводника согласующей цепи присоединены к пассивному плечу с помощью диэлектрических опор. К наружным сторонам излучающего плеча вибратора и проводников согласующей цепи припаяны металлические сетки в виде конусов, внутри вершин которых расположена пластина из радиопоглощающего материала.
Среди известных вибраторных антенн существует большое разнообразие способов их конструктивного выполнения, питания, симметрирования и согласования:
1. Родионов В.М. Линии передачи и антенны УКВ. М.: Энергия. 1977, с.66-86.
2. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. М.: Высшая школа. 1988, с.246-250.
3. Патент США №2567235. Согласующее устройство для в.ч. антенн. НКИ 343-851.
Недостаток таких вибраторов - узкая полоса пропускания, обусловленная тем, что симметричный вибратор эквивалентен 2-проводной линии с потерями, разомкнутой на конце (Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. М.: Высшая школа. 1988, с.232-235), входное сопротивление которой является периодической функцией длины плеча вибратора и волны. При этом в зависимости от соотношения этих длин входное сопротивление эквивалентно последовательному или параллельному контуру, а при отстройке возникает существенная реактивная составляющая импеданса, что приводит к узкополосности при согласовании питающей линии и вибратора.
В то же время у симметричного полуволнового вибратора передний лепесток диаграммы направленности равен заднему лепестку, что снижает помехозащищенность и коэффициент направленного действия (G=1,64 или 2,15 дБ) (Родионов В.М. Линии передачи и антенны УКВ. М.: Энергия. 1977, с.64).
Для увеличения коэффициента направленного действия применяют директорные антенны и антенны типа «волновой канал», но они при этом остаются узкополосными и громоздкими устройствами.
Для увеличения полосы пропускания применяют комбинацию директорных антенн (логопериодические антенны), при этом коэффициент перекрытия частот по диапазону может достигать 10:1 при КСВ=2 (Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. М.: Высшая школа. 1988 с.269-272).
6
Логопериодические антенны также довольно сложные и громоздкие устройства. Наиболее близким к предлагаемому изобретению является патент RU 2132587, МПК H01Q 9/16.
В данном изобретении к излучающим плечам симметричного электрического вибратора через симметрирующую и согласующую цепь подключена коаксиальная линия (питание). Симметрирующая и согласующая цепь выполнены в виде отрезка кабеля из двух проводников, которые соединены последовательно на одном конце отрезка кабеля, но на другом конце они последовательно включены в один из двух проводников питающей среды, которые подключены к разным плечам вибратора, при этом внешний проводник к плечам вибратора не подключен. Коэффициент перекрытия частот по диапазону 10:1 при КСВ=2,5.
Симметрирующее и согласующее устройство данного изобретения имеет следующие недостатки:
1) конструктивная сложность выполнения;
2) отсутствие гальванической связи внешнего проводника согласующей цепи с вибратором;
3) волновое сопротивление питающей коаксиальной линии равно 50 Ом.
Конструктивная сложность согласующей цепи обусловлена необходимостью соединения проводников с распределенными параметрами, размещенными внутри отрезка кабеля, с кабелем питающей линии, а также одновременным симметрированием и согласованием вибратора. Отсутствие гальванической связи внешнего проводника согласующей цепи с вибратором приводит к дополнительной реактивности, которая уменьшает полосу согласования.
Конструктивное выполнение симметрирующей и согласующей цепи не позволяет применить коаксиальную линию питания с волновым сопротивлением 75 Ом, хотя входное сопротивление электирического вибратора при l/λ=0,25 (l - геометрическая длина плеч вибратора, λ - длина волны) примерно равно 75 Ом (Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. М.: Высшая школа. 1988, с.235).
Целью изобретения является упрощение конструкции согласующей цепи, увеличение полосы пропускания при меньшем КСВ, коэффициента направленного действия и помехозащищенности.
Цель достигается тем, что согласующая цепь выполнена в виде параллельного контура, состоящего из двух проводников, соединенных последовательно, суммарная геометрическая длина их меньше λмах/4, и емкости, общий конец которых через емкость связи подключен к излучающему плечу вибратора, а другие концы емкости контура и согласующей цепи подключены к пассивному плечу вибратора, при этом излучающее плечо вибратора находится над пассивным плечом вибратора (основание). Проводники согласующей цепи и плеч вибратора выполнены из пластин, к пассивному плечу которого подключены концы излучающего плеча и проводник согласующей цепи с помощью диэлектрических опор, а к наружным сторонам излучающего плеча вибратора и проводников согласующей цепи припаяны концы металлических сеток, стороны ячейки которых составляют 0, 1 λ мин, в виде конусов, а в их вершинах закреплена радиопоглощающая пластина.
Благодаря указанному выбору суммарной геометрической длины отрезков согласующей цепи, выполненной в виде параллельного контура, обеспечивается компенсация амплитудно-частотной характеристики вибратора с периодической последовательностью изменения его входного сопротивления. Поскольку излучающее плечо вибратора находится над его пассивным плечом, то он аналогичен рамочной антенне, что повышает коэффициент направленного действия, а отсутствие поля над проводниками излучающего плеча и согласующей цепи позволяет выполнить металлический экран в виде конусов, припаянных к ним, при этом наличие радиопоглощающей пластины внутри их обеспечивает неотражающее прохождение в.ч. колебаний полезного источника, а наружная сторона экрана отражает в.ч. колебания других источников, что повышает помехозащищенность вибратора.
Изобретение иллюстрируют чертежи:
фиг.1 - схема соединения элементов частотно-независимого вибратора 1;
фиг.2 - пример частотно-независимого вибратора;
фиг.3 - пример частотно-независимого вибратора 2;
фиг.4 - экспериментальная частотная характеристика КСВ:
а) частотно-независимого вибратора;
б) симметричного вибратора.
Предлагаемое устройство частотно-независимого вибратора (фиг.1) состоит из симметричного электрического вибратора, имеющего два проводника: излучающее плечо 1 и пассивное плечо (основание) 2; согласующей цепи из двух проводников, соединенных последовательно, один конец проводника 3 подключен к наружной стороне пассивного плеча 2, а конец другого 4 соединен с излучающим плечом 1 вибратора через емкость связи 5 и соответственно с наружной стороной пассивного плеча 2 вибратора через емкость контура 6.
На фиг.2 и 3 представлены примеры конструктивного выполнения частотно-независимого вибратора в воздушно-полосковом исполнении. На фиг.2 плечи 1, 2 симметричного электрического вибратора и проводники 3, 4 согласующей цепи общей длиной меньше λмах/4 выполнены из пластин (алюминий, сталь), а емкость связи 5 и емкость контура 6 из отрезков коаксиального кабеля 50 Ом, геометрическая длина которых меньше λмин/4.
Кабель питания 7 (75 Ом) подключен к концам плеч вибратора, которые соединены между собой с помощью диэлектрической опоры 8, а их противоположные концы соединены между собой с помощью диэлектрической опоры 9.
На фиг.3 частотно-независимый вибратор изображен с экраном, выполненным в виде конусов 10, 11 из металлических сеток, ячейки которых составляют 0, 1 λ мин. Их концы припаяны к наружным сторонам излучающего плеча 1 вибратора и проводников 3, 4 согласующей цепи.
2
2
В вершинах конусов расположена пластина 12 из радиопоглощающего материала. Поперечные размеры проводников (алюминий) согласующей цепи и излучающего плеча вибратора равны (3×8) мм, а пассивного плеча соответственно (4×15) мм обеспечивают приемлемое значение их волнового сопротивления (меньше 300 Ом) и удаления от пассивного плеча.
2
2
Габариты симметричного вибратора (150×760) мм, согласующей цепи (130×550) мм. На фиг.4 представлены значения КСВ вибратора при длине в.ч. кабеля 7 м в диапазоне (20-1200) МГц. Коэффициент перекрытия частот по диапазону экспериментальной частотной характеристики частотно-независимого вибратора составляет 20:1 при КСВ<2,5. Перекрытие по частоте симметричного вибратора составит (52-100) МГц при КСВ<2,5. Использование предложенного частотно-независимого вибратора позволяет перекрыть весь частотный диапазон отечественного телевидения и конструировать вибраторные антенны как воздушно-полоскового, так и микрополоскового исполнения.