ВЕРТИКАЛЬНЫЙ СИММЕТРИЧНЫЙ ВИБРАТОР С ШУНТОМ И СПИРАЛЬНЫМ КОАКСИАЛЬНЫМ ФИДЕРОМ

Полезная модель относится к антеннам радиосвязи, а именно к симметричным вибраторным антеннам для МВ-ДМВ диапазонов, устанавливаемых на подвижных и стационарных объектах, например, судах и радиоцентрах.
Известны симметричные вибраторы широкополосных антенн, содержащие полый цилиндрический проволочный вибратор, часть проводов которого образуют симметричные плечи вибратора, а другая часть - шунт (см. Айзенберг Г.З. Коротковолновые антенны, М.: Связь и радио, 1962, с.252, рис.IX. 12.2).
Отношение крайних частот их рабочего диапазона составляет: . В ДМВ диапазонах, как правило, используют низкоомные коаксиальные фидеры с волновым сопротивлением 50-75 Ом, поэтому высокие значения входного сопротивления шунтового симметричного вибратора (от 400 до 600 Ом) в этом диапазоне являются его недостатком, т.к. для перехода от коаксиального фидера к высокоомному симметричному входу вибратора требуется применение широкополосного согласующего трансформатора. Кроме того, в случае вертикального расположения симметричного вибратора на поверхности объекта шунт и кабель питания искажают диаграмму направленности в горизонтальной плоскости.
Известен симметричный вибратор с полыми плечами, с шунтом и коаксиальным фидером, в полых плечах вибратора вдоль оси выполнены продольные пазы, в которых размещена печатная плата с шунтом, ленточным проводником фидера и двумя, левой и правой, металлизированными поверхностями так, что металлические плечи вибратора являются экраном для шунта, концы которого соединены с металлизированными поверхностями, к центру шунта присоединен конец оплетки коаксиального фидера, внутренняя жила которого соединена с концом ленточного проводника фидера, проложенного вдоль левой или правой половины шунта с противоположной от него стороны подложки и развернутого на 180° в сторону правой или левой металлизированной поверхности соответственно и соединенного с нею, края металлизированной поверхности гальванически соединены с кромками пазов полых плеч вибратора (патент РФ №2110120, H01Q 9/16, опубл. 27.04.1998).
Недостатком этого решения при вертикальном расположении симметричного вибратора на поверхности объекта является искажение диаграммы направленности в горизонтальной плоскости вследствие того, что коаксиальный кабель питания проходит вдоль поверхности нижнего плеча вибратора, а также не указан способ крепления симметричного вибратора в вертикальном положении.
В основу полезной модели положена задача создания вертикального симметричного вибратора с шунтом и спиральным коаксиальным фидером, в котором за счет выполнения коаксиального фидера питания в виде спирали, уложенной вдоль нижнего плеча вибратора по диэлектрическим стойкам-изоляторам, обеспечивается отсутствие искажения диаграммы направленности и решается задача вертикального крепления вибратора к несущим конструкциям объектов.
ИЗ
mах
ИЗ
max
Техническое решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в вертикальном симметричном вибраторе с шунтом и спиральным коаксиальным фидером, в полых плечах которого вдоль оси выполнены продольные пазы, в которых размещена печатная плата с шунтом, ленточным проводником фидера и двумя, левой и правой, металлизированными поверхностями так, что металлические плечи вибратора являются экраном для шунта, концы которого соединены с металлизированными поверхностями, к центру шунта присоединен конец оплетки коаксиального фидера, внутренняя жила которого соединена с концом ленточного проводника фидера, проложенного вдоль левой или правой половины шунта с противоположной от него стороны подложки и развернутого на 180° в сторону правой или левой металлизированной поверхности соответственно и соединенного с нею, края металлизированной поверхности гальванически соединены с кромками пазов полых плеч вибратора, коаксиальный фидер питания уложен в виде спирали по диэлектрическим стойкам вдоль нижнего плеча вибратора, при этом шаг спирали выполнен меньше диаметра спирали, а нижнее плечо вибратора установлено на изоляторах, образованных продолжением указанных стоек, при этом длина которых определяется соотношением ℓ/ƛ≥0.1, где ℓ - длина изолятора, a ƛ - максимальная длина волны рабочего диапазона антенны.
Наличие коаксиального фидера питания, уложенного в виде спирали на диэлектрические стойки, установленные вдоль нижнего плеча вибратора, исключает искажение диаграммы направленности в горизонтальной плоскости за счет того, что вибратор имеет вертикальную поляризацию, а витки спирали размещены по отношению к вибратору горизонтально, поэтому коаксиальный фидер питания не возбуждается вертикально поляризованным электромагнитным полем и не происходит искажения диаграммы направленности в горизонтальной плоскости антенны.
Выбор шага спирали, меньшего по отношению к ее диаметру, приводит к тому, что витки коаксиального кабеля питания расположены близко друг к другу и наведенные в них токи взаимно компенсируются.
Установка нижней части вибратора на изоляторы заданной длины приводит к тому, что нижнее плечо вибратора не шунтируется торцевыми емкостями, за счет чего не возникает асимметрии плеч и, как следствие, не происходит изменений диаграммы направленности в вертикальной плоскости.
Полезная модель поясняется фиг.1-2, на которых представлены вертикальный симметричный вибратор с шунтом и коаксиальным фидером питания, совпадающий с прототипом, а на фиг.3 - вертикальный симметричный вибратор с шунтом и спиральным коаксиальным фидером питания, установленный вертикально на изоляторах.
На фиг.1 и 2 буквами и цифрами обозначены: 21 - длина вибратора, D - диаметр вибратора, 1 - цилиндрическая часть плеча вибратора, 2 - коническая полая часть плеча вибратора, 3 - шунт, 4 - печатная плата, 5 - коаксиальный кабель, 6 - оплетка кабеля, 7 - внутренний провод кабеля, 8 - ленточный проводник-трансформатор, 9 - металлизированные участки платы.
Предложенная антенна состоит из двух полых симметричных цилиндрических плеч - 1.
Гальваническое соединение конца оплетки 6 кабеля 5 с серединой шунта 3 (в точке нулевого потенциала) и внутреннего проводника 7 кабеля 5 к ленточному проводнику (трансформатору) 8, проходящему над шунтом 3 и металлизированной частью 9 печатной платы 4, позволило направить высокочастотную энергию вдоль ленточного проводника (трансформатора) 8 к точке возбуждения антенны и т.о. обойтись без использования громоздкого конического согласующего трансформатора.
Влияние токов шунта на диаграмму направленности антенны устранено путем экранирования шунта 3 полыми плечами вибратора 1, т.е. размещением печатного монтажа платы 4 внутри полых конических частей плеча вибратора 2.
Благодаря печатному монтажу достигнута неизменность геометрии шунта 3 и ленточного проводника фидера 8, что важно при эксплуатации антенны на подвижных объектах, когда возможны тряска и ударные нагрузки.
Однако, реальная антенна, изготовленная на основе такого симметричного шунтового вибратора, предназначенная для вертикальной установки на поверхности объекта, не позволяет получить равномерные диаграммы направленности в плоскостях Н и Е в диапазоне частот от 100 до 400 МГц из-за сильного влияния коаксиального кабеля питания 5, проложенного параллельно нижнему плечу вибратора, и нерегламентированной высоты положения торца нижнего плеча вибратора по отношению к поверхности объекта 10. Кроме того, из прототипа неясно, каким образом осуществить жесткую фиксацию верхнего и нижнего плеч вибратора с установленными в них печатными платами таким образом, чтобы получилась единая конструкция симметричного вибратора с шунтом.
ИЗ
mах
mах
ИЗ
mах
Перечисленные недостатки прототипа устраняются тем, что коаксиальный фидер питания 5 (см. фиг.3), уложенный в виде спирали на диэлектрические стойки 11, установленные вдоль верхнего и нижнего плеч вибраторов 1 и выполняющие роль изоляторов и узлов крепления коаксиального фидера 5 и вибраторов антенны к конструкциям объекта, подключается центральным проводником (см. фиг.1. и 2) к нижнему плечу вибратора 1 через полосковый трансформатор 8, а внешний проводник 6 (оплетка спирального кабеля) подключается к средней точке шунта 3 таким образом, что внешний проводник 6 спирального кабеля питания 5 выполняет роль развязывающего дросселя и симметрирующего устройства одновременно, исключающими затекание тока на питающий кабель 5 и, как следствие, отсутствие вторичного вертикально поляризованного электромагнитного поля, искажающего диаграмму направленности в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Это происходит, так как расположение питающего кабеля в виде спирали, уложенной с малым шагом на нижнем плече вибратора, исключает асимметрию верхнего и нижнего плеч, потому что витки кабеля, уложенные на нижнем плече вибратора, не возбуждаются вертикально поляризованным полем и являются электрически прозрачными. Длина изоляционных стоек 11 (изоляторов), отсчитываемая от торца нижнего плеча вибратора, на которых крепится симметричный шунтовой вибратор, должна быть ℓ/ƛ≥0.1; так, например, для шунтового вибратора, предназначенного для работы в диапазоне частот 100-400 МГц, где ƛ=3 м, получим длину изоляторов 0,1×3 м = 0,3 м. Изменение длины изоляторов менее соотношения ℓ/ƛ≥0.1 приводит к уменьшению коэффициента усиления антенны из-за асимметрии плеч вибратора вследствие сильного влияния торцевой емкости нижнего плеча вибратора на параметры антенны.