ШИРОКОПОЛОСНОЕ АНТЕННОЕ УСТРОЙСТВО (ВАРИАНТЫ)

Предлагаемое устройство относится к технике радиосвязи и может быть использовано в портативной, носимой и возимой радиоаппаратуре.
Известны антенны простейших конструкций, устанавливаемых на автомашинах, носимых радиостанциях (В.З.Захаров, Т.Ф.Левчук, Ю.М.Муравьев, П.Т.Слюсарев, В.П.Серков, М.В.Спиридонова, «Характеристики антенн для радиосвязи», ВКАС, Л., 1967, Г.А.Лавров, Князев «Приземные и подземные антенны», «Сов. радио», М., 1965), которые используются для подвижной радиосвязи. Так как к ним предъявляются жесткие требования по массе, габаритам, механической прочности и стойкости к климатическим воздействиям, эти антенны используют простейшие излучатели штыревого типа, входные сопротивления которых меняются в широких пределах. Это приводит к тому, что КСВ антенны в широкодиапазонных средствах связи с перекрытием по частоте четыре и более раз может достигать десятков единиц, что нарушает работу выходного каскада усилителя мощности - снижается отдаваемая мощность, повышаются внеполосные излучения, шумы и т.д. Кроме того, изменяется не только режим усилителя, но и других устройств, входящих в состав передатчика: фильтров, коммутаторов и др.
В режиме приема рассогласование понижает селективность, чувствительность и другие параметры.
С целью расширения диапазона частот предлагается использовать штыревую антенну на высоких частотах как симметричный вибратор с вынесенной запиткой вблизи середины излучателя. Для работы на более низких частотах этот же вибратор служит в качестве несимметричного излучателя с запиткой в основании.
Это дает возможность без увеличения длины штыревой части антенны расширить диапазон частот без снижения излучаемой мощности.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является широкополосная штыревая антенна (вариант первый) по пат. 39011, Н 01 Q 9/00, опубл. 10.07.2004 Бюл. №19, принятая за прототип.
На фиг.1 приведена схема антенны-прототипа, где обозначено:
1, 3 - плечи симметричного вибратора;
2 - широкополосное согласующее устройство;
4 - коаксиальный кабель;
8 - радиосредство;
10 - опора;
11.1-11.N - индуктивности;
12 - амортизирующее устройство.
Широкополосная штыревая антенна-прототип содержит верхнее 1 и нижнее 3 плечи симметричного вибратора. Оба плеча 1 и 3 присоединены к входу широкополосного согласующего устройства 2, представляющего собой пассивный четырехполюсник. К выходу широкополосного согласующего устройства 2 присоединен коаксиальный кабель 4, который проходит через нижнее плечо 3, представляющее собой металлическую (или пластмассовую с внешним покрытием из токопроводящего материала) трубку, внутри которой проходит коаксиальный кабель 4. Развязывающее устройство выполнено широкополосным, и состоит из токопроводящей опоры 10 и N (N≥1) индуктивностей 11(1)-11(N), образованных нанизыванием высокочастотных магнитных колец, например, ферритовых, на опору 10.
Далее коаксиальный кабель 4 проходит внутри опоры 10, амортизирующего устройства 12 и соединяется с радиосредством 8.
Опора 10 представляет собой металлическую или диэлектрическую трубку. Ее длина позволяет увеличивать высоту установки антенны.
Работает антенна-прототип следующим образом.
В режиме приема сигнал из симметричного вибратора, образованного верхним 1 и нижним 3 плечами, поступает на вход широкополосного
согласующего устройства 2, основное назначение которого передавать мощность сигнала с наименьшими потерями. К выходу широкополосного согласующего устройства 2 присоединен коаксиальный кабель 4, который передает сигнал к радиосредству 8. Для того, чтобы токи верхнего 1 и нижнего 3 плеч симметричного вибратора не проникали на поверхность опоры 10 (это приводит к искажению диаграммы направленности в вертикальной плоскости), развязывающее устройство выполнено широкополосным, и состоит из токопроводящей опоры 10 и N (N≥1) индуктивностей 11(1)-11(N), образованных нанизыванием высокочастотных магнитных колец, например, ферритовых, на опору 10.
Аналогично антенна работает в режиме передачи, когда сигнал из радиосредства 8 поступает в антенну.
Недостатком антенны-прототипа является ограничение в перекрытии диапазона частот.
Так расширение диапазона в сторону более высоких частот приводит к искажению диаграммы направленности в вертикальной плоскости. Максимум излучения перемещается на некоторый угол вверх от поверхности земли и снижается вдоль земли.
Расширение диапазона в сторону низких частот приводит к снижению коэффициента передачи широкополосного согласующего устройства, что в свою очередь снижает излучаемую мощность антенны.
Предлагаемое антенное устройство позволяет увеличить диапазон частот без искажения диаграммы направленности и снижения коэффициента передачи по мощности.
Для устранения указанных недостатков в антенное устройство, содержащее верхнее и нижнее плечи вибратора, первое широкополосное согласующее устройство (ШСУ), развязывающее устройство, коаксиальный кабель, проходящий через нижнее плечо и радиосредство, согласно полезной модели, введены второе широкополосное согласующее устройство и сумматор, при этом выход первого ШСУ подключен коаксиальным кабелем,
переходящим в развязывающее устройство, выполненное в виде катушки индуктивности из намотанного коаксиального кабеля, и соединенного с входом сумматора, выход которого подключен к радиосредству, кроме того, внешняя оплетка кабеля является составной частью второго ШСУ.
На фиг.2 представлен чертеж предлагаемого устройства (первый вариант), где обозначено:
1, 3 - плечи вибратора;
2, 6 - первое и второе широкополосное согласующее устройство (ШСУ);
4 - коаксиальный кабель;
5 - развязывающее устройство;
7 - сумматор;
8 - радиосредство.
3
4
3
4
Предлагаемое устройство содержит верхнее 1 и нижнее 3 плечи вибратора, работающего как симметричный вибратор на высоких частотах f-f. Для согласования входных сопротивлений в диапазоне частот f-f включено первое ШСУ 2, к выходу которого подключен коаксиальный кабель 4, проходящий внутри плеча симметричного вибратора 3 и переходящий в развязывающее устройство 5.
1
2
1
2
3
4
Развязывающее устройство 5 представляет собой высокочастотный коаксиальный кабель 4, намотанный в виде катушки индуктивности и соединенный с входом сумматора 7. Внешняя оплетка кабеля 4 является составной частью второго ШСУ 6, предназначенного для согласования входных сопротивлений в диапазоне частот f-f, (где f<f≤f<f).
1
2
В диапазоне частот f-f верхнее 1 и нижнее 3 плечи вибратора работают как несимметричный вибратор.
1
2
1
2
Противовесом для несимметричного вибратора, работающего в диапазоне частот f-f, может служить металлический корпус подвижного объекта, а для портативных радиосредств - корпус радиосредства. К ним присоединяется второе ШСУ 6 для согласования входных сопротивлений в диапазоне частот f-f и затем через сумматор 7 к радиосредству 8.
1
4
Радиосредство 8, например приемопередатчик, работает во всем диапазоне частот f-f.
Работает предлагаемое устройство следующим образом.
3
4
3
4
3
4
1
2
В режиме приема сигнал из симметричного вибратора, образованного верхним 1 и нижним 3 плечами, работающими на верхних частотах f-f, поступает на вход первого ШСУ 2, основное назначение которого передавать мощность сигнала с наименьшими потерями. К выходу ШСУ 2 подсоединен коаксиальный кабель 4, который передает сигнал на сумматор 7, назначение которого объединять сигналы с наименьшими потерями к радиосредству 8. Для того чтобы токи на частотах f-f верхнего 1 и нижнего 3 плеч вибратора не проникали на поверхность противовеса для несимметричного вибратора (это приводит к искажению диаграммы направленности в вертикальной плоскости), развязывающее устройство 5 выполнено в виде катушки индуктивности, сопротивление которой на частотах f-f, велико и поэтому токи верхнего 1 и нижнего 3 плеч симметричного вибратора отсекаются. В режиме приема сигнал из несимметричного вибратора, образованного верхним 1 и нижним 3 плечами и противовеса, работающий на нижних частотах f-f, поступает на вход второго ШСУ 6, основное назначение которого передавать мощность сигнала с наименьшими потерями. К выходу ШСУ 6 подсоединен коаксиальный кабель 4, который передает сигнал на сумматор 7, назначение которого объединять сигналы с наименьшими потерями к радиосредству 8.
Аналогично устройство работает в режиме передачи, когда сигнал из радиосредства 8 поступает в антенну.
На фиг.3 приведена схема антенны-прототипа (второй вариант), где обозначено:
1, 3 - плечи симметричного вибратора;
2 - широкополосное согласующее устройство;
4 - коаксиальный кабель;
8 - радиосредство;
10(1)-10(N) - отрезки трубок опоры;
11.1-11.N - индуктивности;
12 - амортизирующее устройство;
13(1)-13(N) - диэлектрические вставки.
Антенна-прототип содержит верхнее 1 и нижнее 3 плечи симметричного вибратора. Оба плеча 1 и 3 присоединены к входу широкополосного согласующего устройства 2, представляющего собой пассивный четырехполюсник. К выходу широкополосного согласующего устройства 2 присоединен коаксиальный кабель 4, который проходит через нижнее плечо 3. Отрезки трубок опоры 10(1)-10(N) соединены диэлектрическими вставками 11(1)-11(N) и являются опорой антенны. Внутри отрезков трубок опоры 10(1)-10(N) проходит коаксиальный кабель 4.
При выходе из нижнего плеча 3, коаксиальный кабель 4 переходит в развязывающее устройство, выполненное широкополосным и состоящее из N (N≥1) индуктивностей 11(1)-11(N), соединенных каскадно коаксиальным кабелем 4 по всей длине отрезков трубок опоры 10(1)-10(N). При этом индуктивности 11(1)-11(N) выполнены в виде коаксиального кабеля 4, намотанного на диэлектрические каркасы, и размещены внутри диэлектрических вставок 13(1)-13(N) опоры.
Индуктивности 11(1)-11(N) могут также выполняться в виде высокочастотных магнитных колец, например, ферритовых, нанизанных на коаксиальный кабель 4, и размещенных в диэлектрических вставках 13(1)-13(N).
После N-ой индуктивности коаксиальный кабель 4 через амортизирующее устройство 13 подсоединяется к радиосредству 8.
Работает антенна-прототип следующим образом.
В режиме приема сигнал из симметричного вибратора, образованного верхним 1 и нижним 3 плечами, поступает на вход широкополосного согласующего устройства 2, представляющего собой пассивный четырехполюсник, основное назначение которого передавать мощность с наименьшими потерями. К выходу широкополосного согласующего
устройства 2 присоединен коаксиальный кабель 4, который передает сигнал к радиосредству 8. Для того, чтобы токи верхнего 1 и нижнего 3 плеч симметричного вибратора не проникали на поверхность опоры (это приводит к искажению диаграммы направленности в вертикальной плоскости) развязывающее устройство выполнено широкополосным.
Наличие широкополосного развязывающего устройства в представленном выше виде позволяет отсечь токи антенны от опоры, состоящей из N токопроводящих трубок 10(1)-10(N), соединенных между собой N диэлектрическими вставками 13(1)-13(N).
Аналогично антенна работает в режиме передачи, когда сигнал из радиосредства 8 поступает в антенну.
Недостатком антенны-прототипа является ограничение в перекрытии диапазона частот.
Для устранения указанных недостатков в антенное устройство, содержащее верхнее и нижнее плечи вибратора, первое широкополосное согласующее устройство (ШСУ), развязывающее устройство, коаксиальный кабель, проходящий через нижнее плечо и первое радиосредство, согласно полезной модели, введены второе радиосредство и второе широкополосное согласующее устройство, вход которого подключен к нижнему плечу вибратора, к выходу первого ШСУ подсоединен коаксиальный кабель, развязывающее устройство, выполненное в виде катушки индуктивности из намотанного коаксиального кабеля и соединенного с входом второго радиосредства, кроме того, внешняя оплетка кабеля является составной частью второго ШСУ.
На фиг.4 представлен чертеж предлагаемой антенны (второй вариант), где обозначено:
1, 3 - плечи симметричного вибратора;
2, 6 - первое и второе широкополосное согласующее устройство (ШСУ);
4 - коаксиальный кабель;
5 - развязывающее устройство;
1
2
8 - радиосредство первого диапазона (f-f);
3
4
9 - радиосредство второго диапазона (f-f).
3
4
3
4
Предлагаемая антенна содержит верхнее 1 и нижнее 3 плечи симметричного вибратора, предназначенные для работы на высоких частотах f-f. Для согласования входных сопротивлений в диапазоне частот f-f включено первое ШСУ 2, к выходу которого подключен высокочастотный коаксиальный кабель 4, проходящий внутри плеча 3 вибратора и переходящий в развязывающее устройство 5.
3
4
1
2
1
2
3
4
Развязывающее устройство 5 представляет собой высокочастотный коаксиальный кабель 4, намотанный в виде катушки индуктивности и соединенный с входом радиосредства второго диапазона (f-f) 9. Внешняя оплетка кабеля 4 является составной частью второго ШСУ 6, предназначенного для согласования входных сопротивлений в диапазоне частот f-f, (где f<f≤f<f).
1
2
В диапазоне частот f-f верхнее 1 и нижнее 3 плечи вибратора работают как несимметричный вибратор.
1
2
1
2
1
2
Противовесом для несимметричного вибратора, работающего в диапазоне частот f-f может служить металлический корпус подвижного объекта, а для портативных радиосредств - корпус радиосредства. К ним присоединяется второе ШСУ 6, для согласования входных сопротивлений в диапазоне частот f-f и затем к радиосредству первого диапазона (f-f) 8.
Работает предлагаемая антенна (второй вариант) следующим образом.
3
4
3
4
В режиме приема сигнал из симметричного вибратора, образованного верхним 1 и нижним 3 плечами, работающими на верхних частотах f-f, поступает на вход первого ШСУ 2, основное назначение которого передавать мощность сигнала с наименьшими потерями. К выходу ШСУ 2 присоединен коаксиальный кабель 4, который передает сигнал на радиосредство второго диапазона (f-f) 9. Для того чтобы токи верхнего 1 и нижнего 3 плеч вибратора не проникали на поверхность противовеса для несимметричного вибратора (это приводит к искажению диаграммы направленности в
3
4
1
2
1
2
вертикальной плоскости), развязывающее устройство 5 выполнено в виде катушки индуктивности, сопротивление которой на частотах f-f, велико и поэтому токи верхнего 1 и нижнего 3 плеч симметричного вибратора отсекаются. В режиме приема сигнал из несимметричного вибратора, образованного верхним 1 и нижним 3 плечами и противовеса, работающий на нижних частотах f-f, поступает на вход второго ШСУ 6, основное назначение которого передавать мощность сигнала с наименьшими потерями. К выходу второго ШСУ 6 присоединен коаксиальный кабель 4, который передает сигнал на радиосредство первого диапазона (f-f) 8.
Аналогично антенна работает в режиме передачи, когда сигнал из радиосредств первого 8 и второго 9 диапазонов поступает в антенну.
Таким образом, предлагаемые варианты широкополосного антенного устройства позволяют расширить рабочий диапазон частот, за счет использования одного и того же вибратора одновременно в двух диапазонах частот:
1
2
в диапазоне f-f - как несимметричный вибратор;
3
4
1
2
3
4
в диапазоне f-f как симметричный вибратор, причем f<f≤f<f.