Многодиапазонная вибраторная коллинеарная антенна

Предлагаемое устройство относится к антенной технике и может быть использовано в качестве передающей, приёмной или приёмо-передающей антенны УКВ диапазона в системах подвижной радиосвязи.
Известна широкополосная антенна по пат. РФ 2656034, Н01Q 9/18, состоящая из двух широкополосных излучателей, объемных вибраторов и развязывающих устройств. Недостатками такой антенны являются наличие сложных развязывающих устройств, необходимость обеспечить отдельные противовесы для каждого типа излучателей, что приводит к конструктивной сложности конечного изделия и высоким массогабаритным параметрам. Наряду с этим, известны также различные варианты коллинеарных антенн по патентам РФ 2097883, Н01Q 9/18; 2107364, Н01Q 9/18; 2498466, Н01Q 9/18. Недостатком таких антенн является возможность работы только в узком диапазоне частот.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемой полезной модели является компактная вертикальная антенная решётка из вертикальных вибраторов, пространственно совмещённых с опорой по пат. РФ 2573224, Н01Q 9/18 (пункты формулы 1 и 4), принятая за прототип.
Схема устройства-прототипа приведена на фиг. 1а, б, где обозначено:
4 – опора;
1, 2, 3 – первый, второй, третий вибраторы;
1.1 – нижний резонатор первого вибратора;
1.2 –верхний резонатор первого вибратора;
2.1 – нижний резонатор второго вибратора;
2.2 – верхний резонатор второго вибратора;
3.1 – нижний резонатор третьего вибратора;
3.2 – верхний резонатор третьего вибратора;
5.1 – коаксиальный кабель;
8 – перемычка.
Устройство-прототип (пункты формулы 1, 4) содержит неограниченное теоретически число вибраторов N. Рассмотрим конкретное исполнение, наиболее подробно описанное в прототипе, при N=3. В этом исполнении устройство-прототип содержит опору 4, представляющую собой полую металлическую трубу, соосно с ней установлены три идентичных вибратора 1, 2, 3, каждый из которых состоит из идентичных резонаторов - нижнего резонатора (1.1, 2.1, 3.1) и верхнего резонатора (1.2, 2.2, 3.2). Каждый резонатор представляет собой полый металлический цилиндр, соединённый с опорой посредством перемычки 8 (фиг. 1б), при этом в нижнем сечении электрический контакт между резонаторами (1.1, 1.2, 2.1, 2.2, 3.1, 3.2) и опорой 4 отсутствует. На фиг. 1б показан узел питания вибратора в сечении. Между нижним и верхним плечами вибратора – резонаторами 1.1 и 1.2 - в опоре 4 имеется отверстие, к которому подходит коаксиальный кабель 5.1, питающий данный вибратор. Коаксиальный кабель включает оплётку, которая в зоне отверстия электрически соединена с опорой 4, и центральный проводник (жилу) кабеля, который соединен с нижней кромкой цилиндра верхнего плеча (верхним резонатором 1.2). Ко второму и третьему вибраторам 2 и 3, аналогично вибратору 1, подключаются отдельные коаксиальные кабели, не показанные на рисунке 1.а.
Устройство-прототип работает следующим образом.
2
1
2
21
22
1
1
11
12
12
22
Каждый коаксиально расположенный вибратор 1, 2, 3 входящий в состав антенны, запитывается через соответствующий независимый коаксиальный кабель, расположенный внутри опоры 4. В коаксиальном кабеле может распространяться только Т-волна, при этом ток, вытекающий из такого кабеля по центральному проводнику (ток I в вибраторе 1) равен току, втекающему в кабель по внутренней поверхности его оплетки (ток I в вибраторе 1). Ток I распространяется по внешней и внутренней поверхности верхнего резонатора 1.2 (токи I и I, соответственно), причём основная часть тока Iпротекает по внешней поверхностицилиндра резонатора 1.2. Аналогично ток I также складывается из двух токов I и I. Учитывая малость токов I и I, можно считать, что вибратор возбуждается симметрично. Однако необходимо учитывать некоторое шунтирующее действие резонатора. Узлы питания второго и третьего вибраторов 2 и 3 соответствующими независимыми коаксиальными кабелями (на фиг. 1 а не показаны) выглядят аналогично узлу питания вибратора 1 первым коаксиальным кабелем 5.1. Таким образом, компактная вертикальная антенная решётка из вертикальных вибраторов, пространственно совмещённых с опорой, хорошо согласуется с линиями питания и будет эффективно излучать электромагнитную энергию в узкой полосе частот  вблизи центральной частоты .
В верхнем сечении верхнего плеча вибратора 1.2 ток с внешней поверхности цилиндра резонатора 1.2 по перемычке 8 свободно перетекает на опору 4, возбуждая её. Это может привести к асимметрии плеч вибраторов и соответствующему искажению диаграммы направленности. Указанный эффект проявляется тем слабее, чем ближе друг к другу расположены вибраторы 1, 2, 3, поскольку уменьшаются свободные участки опоры 4, удлиняющие верхние плечи вибраторов. При достаточно близком расположении вибраторов будет наблюдаться сильная связь между ними, обусловленная наличием большой торцевой ёмкости. Для компенсации этой ёмкости с целью улучшения взаимной развязки вибраторов используются укороченные резонаторы. Таким образом, согласование и симметрирование антенны достигается подбором геометрических параметров резонаторов, входящих в вибраторы.
Недостатком устройства-прототипа является возможность работы только в одном узком диапазоне частот.
Задачей предлагаемого устройства является обеспечение возможности независимой работы антенны в нескольких узких диапазонах частот, в том числе и в широком диапазоне частот за счет введения в конструкцию широкополосного излучателя (вибратора), а также обеспечение хорошей развязки между вибраторами.
Для решения поставленной задачи в антенну, содержащую несущую металлическую опору в форме трубы, на которой расположены N вертикальных вибраторов, причем верхнее и нижнее плечи каждого вибратора выполнены в виде соосных опоре металлических цилиндров, электрически соединенных с опорой в верхних частях, согласно полезной модели в каждый из N-1 вибраторов введены дополнительные цилиндры, обеспечивающие развязку между вибраторами; N-й вибратор выполнен в виде диско-конусного излучателя, состоящего из металлического диска и металлического конуса, расположенного на вершине опоры и обеспечивающего работу в широком диапазоне частот.
На фиг. 2 представлена схема предлагаемого устройства, где обозначено:
1, 2, N-1 – вибраторы;
1.1, 2.1, N-1.1 – нижние резонаторы;
1.2, 2.2, N-1.2 – верхние резонаторы;
1.3, 2.3, N-1.3 –дополнительные металлические цилиндры;
N – диско-конусный излучатель (вибратор);
N.1 – металлический диск;
N.2 – металлический конус;
4 – опора.
Рассмотрим конкретное исполнение, при N = 3, один вибратор представляет собой дискоконусный излучатель. На фиг. 3 а, б представлена схема предлагаемого устройства, где обозначено:
1 – вибратор верхнего диапазона;
1.1 – нижний резонатор верхнего диапазона;
1.2 – верхний резонатор верхнего диапазона;
1.3 – первый дополнительный металлический цилиндр;
2 – вибратор нижнего диапазона;
2.1 – нижний резонатор нижнего диапазона;
2.2 – верхний резонатор нижнего диапазона;
2.3 – второй дополнительный металлический цилиндр;
3 – дискоконусный излучатель (вибратор);
3.1 – металлический диск;
3.2 – металлический конус;
4 – опора;
5.1 – первый коаксиальный кабель;
5.2 – второй коаксиальный кабель;
5.3 – третий коаксиальный кабель;
8 – перемычка.
Предлагаемое антенное устройство содержит опору 4, представляющую собой металлическую трубу, соосно с которой, установлены N вибраторов (2, 3, …, N), N-1 из которых (2, 3, …, N-1) состоят из верхнего (2.2, 3.2, …, N-1.2) и нижнего (2.1, 3.1, …, N-1.1) резонаторов и дополнительного металлического цилиндра (2.3, 3.3, …, N-1.3), и N-й вибратор, представляющий собой дискоконусный излучатель N и состоящий из металлического диска N.1 и металлического конуса N.2. Причём вибратор, представляющий собой дискоконусный излучатель, расположен на вершине опоры 4. В общем случае вибраторы, составляющие различные резонаторы могут иметь различные геометрические размеры. К каждому вибратору подключается отдельный кабель (фидер) питания, представляющий собой коаксиальный кабель, подключение кабеля рассмотрено на примере конкретного исполнения (рис. 3 б). На рис. 2 кабели не показаны.
Конкретное исполнение при N=3, представленное на рис.3, содержит опору 4 и установленные на ней соосно вибратор верхнего диапазона 1, состоящий из верхнего 1.1 и нижнего 1.2 резонаторов и первого дополнительного металлического цилиндра 1.3, вибратор нижнего диапазона 2, состоящий из верхнего 2.1 и нижнего 2.2 резонаторов нижнего диапазона и второго дополнительного металлического цилиндра 2.3, и дискоконусный излучатель (вибратор) 3, включающий в себя металлический диск 3.1 и металлический конус 3.2. Каждый резонатор (1.1, 1.2, 2.1, 2.2), а также первый (1.3) и второй (2.3) дополнительные металлические цилиндры, представляют собой полые тонкостенные металлические цилиндры, соединённые с опорой посредством перемычки 8, при этом в нижнем сечении электрический контакт между резонаторами (1.1, 1.2, 2.1, 2.2), дополнительными цилиндрами (1.3, 2.3) и опорой 4 отсутствует. Внутри опоры 4 размещены первый, второй и третий коаксиальные кабели 5.1, 5.2, 5.3. На фиг. 3б показан узел питания вибратора в сечении. Между нижним и верхним плечами вибратора – резонаторами 1.1 и 1.2 в опоре имеется отверстие, к которому подходит первый коаксиальный кабель 5.1 данного вибратора, оплётка которого в зоне отверстия электрически соединена с опорой 4, а его центральный проводник (жила) кабеля – с нижней кромкой цилиндра верхнего плеча (верхним резонатором 2.2). Узел питания вибратора нижнего диапазона 2 вторым коаксиальным кабелем 5.2 (на фиг. 3б не показан) выглядит аналогично узлу питания вибратора 1 первым коаксиальным кабелем 5.1. Оплетка третьего коаксиального кабеля 5.3 электрически соединена с металлическим конусом 3,2, а его центральная жила – с металлическим диском 3.1 (на фиг. 3б не показаны).
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
2
1
2
Рассмотрим работу устройства на примере конкретного исполнения (фиг. 3) с тремя вибраторами, один из которых представляет собой дискоконусный излучатель. В коаксиальных кабелях 5.1, 5.2, 5.3 от источника возмущений распространяется Т-волна. Рассмотрим вибратор 1, предназначенный для работы в узком диапазоне на высокой частоте. Каждый цилиндр, составляющий вибратор 1, имеет размер приблизительно равный четверти длины волны на центральной частоте рабочего диапазона с учётом коэффициента укорочения. Ток I, вытекает из центрального проводника первого коаксиального кабеля 5.1, распространяется по внешней поверхности резонатора 1.2, а ток I распространяется по внешней поверхности резонатора 1.1, не затекая на оплётку коаксиального кабеля 5.1, поскольку последний электрически соединён с опорой 4, обладающей нулевым потенциалом. При этом внутренние поверхности резонаторов 1.1 и 1.2 совместно с перемычками 8 выполняют роль четвертьволнового объёмного блокирующего контура, известного в литературе как «четвертьволновой стакан». Вследствие запирающего действия такого контура, токи по внутренним поверхностям резонаторов 1.1 и 1.2 на резонансной частоте не протекают. Однако, в силу влияния соседних вибраторов, резонансная частота может смещаться, кроме того, токи на частотах, близких к резонансной, но не равных ей, могут затекать на внутреннюю поверхность вибраторов, а также на опору 4. Первый дополнительный металлический цилиндр 1.3 также является четвертьволновым блокирующим резонатором. Благодаря наличию первого дополнительного металлического цилиндра 1.3, расположенного достаточно близко к верхнему резонатору 1.2, ток I не затекает на опору 4, что позволяет сохранить симметричность вибратора и его согласование с линией питания. Кроме того, объёмный изолятор, состоящий из первого дополнительного металлического цилиндра 1.3 и перемычки 8, обеспечивает развязку вибраторов 1 и 2. Таким образом, вибратор 1 обеспечивает хорошее согласование с линией питания и эффективное излучение в узкой полосе частот  вблизи центральной частоты .
Вибратор нижнего диапазона 2 имеет аналогичный узел питания вторым коаксиальным кабелем 5.2. В целом его работа аналогична работе вибратора 1.2, однако его рабочая частота приблизительно в два раза ниже рабочей частоты вибратора 1, соответственно размер входящих в него резонаторов и дополнительного цилиндра (2.1, 2.2, 2.3) приблизительно в два раза больше, чем у резонаторов и цилиндра (1.1, 1.2, 1.3) в вибраторе 1. Второй дополнительный металлический цилиндр 3.3 вместе с перемычкой 8 также представляет собой объёмный изолятор и позволяет обеспечить развязку вибратора нижнего диапазона 2 и дискоконусного излучателя 3. Вибратор нижнего диапазона 2 согласуется с линией питания и эффективно излучает электро-магнитную энергию в узкой полосе  вблизи центральной частоты , значение которой превышает значение  более чем на .
Дискоконусный излучатель 3 питается третьим коаксиальным кабелем 5.3 с волновым сопротивлением 50 Ом, по которому от источника возмущений распространяется Т-волна. Коаксиальный кабель 5.3, подключенный оплеткой к металлическому конусу 3.2, а центральным проводником (жилой) кабеля - к металлическому диску 3.1, возбуждает электромагнитное поле, которое излучается с внешних поверхностей дискоконусного излучателя 3 в окружающее пространство. Дискоконусный излучатель 3 является широкополосным и способен обеспечить согласование с линией питания и эффективное излучение в широком диапазоне частот . В общем случае не существует теоретического ограничения как на возможное число рабочих диапазонов частот антенны, так и на число используемых в антенне вибраторов. Излучаемое каждым из вибраторов, в том числе и диско-конусным излучателем, антенны электромагнитное поле имеет волновой фронт, близкий к сферическому, следовательно, антенна характеризуется круговой диаграммой направленности в азимутальной плоскости. Антенна обладает линейной вертикальной поляризацией. Согласование антенны не зависит от плоскости земли, поэтому, с точки зрения вопросов согласования, антенну можно размещать на любых поверхностях.
Таким образом, по сравнению с прототипом, предлагаемая антенна обладает возможностью независимой работы в нескольких узких диапазонах частот, благодаря использованию вибраторов разного размера, а также имеет хорошую развязку между вибраторами, благодаря введению в антенну дополнительных цилиндров. Кроме того, в отличие от прототипа, в конструкции присутствует широкополосный излучатель, что позволяет работать как в узких, так и в широком диапазонах частот.