ДИСКОКОНУСНАЯ ШИРОКОПОЛОСНАЯ АНТЕННА
DISK-CONE BROADBAND ANTENNA

Изобретение относится к антенным устройствам и может быть использовано в качестве антенны для установки на мачте.
Известны широкополосные антенны типа дискоконус и биконус [1, 2, 3]. Каждая из них имеет свои преимущества и свои ограничения. Обе антенны широкополосны, но вертикальные размеры биконуса значительно превышают размеры дискоконуса. С другой стороны у дискоконуса в вертикальной плоскости диаграммы направленности (ДН) с ростом частоты все больше отклоняются в сторону конуса. В зависимости от рабочего диапазона частот, диск и конус дискоконусной антенны могут быть выполнены сплошными, или иметь так называемую "скелетную" форму, или могут быть смешанными. В дециметровом и метровом диапазонах дискоконусная антенна представляет собой жесткую конструкцию, в которой диск и конус, как правило, выполнены из стержней или трубок.
Известна дискоконусная антенна [3], которая является наиболее близкой к предлагаемому изобретению и принятая за прототип.
Антенна [3] содержит встроенную цепь согласования, шесть элементов, размещенных по окружности, шесть конусных элементов и один вертикальный элемент. Вертикальный элемент повышает эффективность антенны, обеспечивая эффективность излучения в диапазоне частот от 30 до 110 МГц с коэффициентом стоячей волны (КСВ) менее 3,0.
Недостатком данной антенны является сравнительно небольшой, ограниченный рабочий диапазон частот, для получения которого требуется еще цепь согласования.
Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение рабочего диапазона частот антенны без использования цепи согласования за счет изменения геометрии дискоконусной антенны.
кор.
дл.
кор.
дл.
мал.
бол.
мал.
бол.
т.
бол.
т.
Указанный технический результат достигается тем, что в дискоконусной широкополосной антенне, включающей входной ВЧ соединитель, горизонтально расположенный проводящий диск, расположенный под ним вертикальный проводящий конус, при этом над диском расположена вертикальная трубка, имеющая электрическое соединение с центром проводящего диска, а диск и конус выполнены из трубок, дополнительно над проводящим диском расположен выполненный из трубок малый вертикальный проводящий конус, вертикальная ось которого лежит на одной прямой с вертикальной осью большого вертикального проводящего конуса, а вершина малого вертикального проводящего конуса имеет электрическое соединение с центром проводящего диска, часть трубок проводящего диска одинаково укорочены, при этом и короткие и длинные трубки расположены в плоскости диска равномерно, а длины коротких и длинных трубок проводящего диска связаны соотношением L=0,635⋅L, где L - длина короткой трубки, L - длина длинной трубки, при этом высота малого вертикального проводящего конуса и высота большого вертикального проводящего конуса связаны соотношением Н=0,322⋅Н, где Н - высота малого вертикального проводящего конуса, Н - высота большого вертикального проводящего конуса, а высота вертикальной трубки и высота большого вертикального проводящего конуса связаны соотношением Н=0,644⋅Н, где Н - высота вертикальной трубки.
Предлагаемое изобретение поясняется фигурами. На фиг. 1 показан один из вариантов исполнения предлагаемой антенны, где введены обозначения:
1 - трубки большого проводящего конуса;
2 - короткие трубки проводящего диска;
3 - длинные трубки проводящего диска;
4 - вертикальная трубка;
5 - трубки малого конуса антенны;
6 - входной ВЧ соединитель.
Предлагаемая антенна включает входной ВЧ соединитель 6, большой вертикальный проводящий конус, малый вертикальный проводящий конус, проводящий диск и вертикальную трубку 4. При этом большой вертикальный проводящий конус состоит из трубок 1 (на фиг. 1 для примера показаны девять трубок 1), малый вертикальный проводящий конус состоит из трубок 2 (на фиг. 1 для примера показаны девять трубок 1), а проводящий диск состоит из длинных трубок 3 и коротких трубок 2, которые равномерно расположены в плоскости проводящего диска. На фиг. 1 для примера показаны шесть длинных трубок 3 и три короткие трубки 2 проводящего диска, при этом короткие трубки 2 расположены через каждые две длинные трубки 3. Проводящий диск расположен горизонтально, большой вертикальный проводящий конус расположен под ним. Над проводящим диском расположена вертикальная трубка 4, имеющая электрическое соединение с центром проводящего диска. Малый вертикальный проводящий конус расположен над проводящим диском, а вершина этого конуса имеет электрическое соединение с центром проводящего диска. Посредством входного ВЧ соединителя 6 внешний проводник коаксиального ВЧ кабеля имеет электрическое соединение с большим проводящим конусом, а центральный проводник коаксиального ВЧ кабеля имеет электрическое соединение с проводящим диском. Вертикальная трубка 4 располагается перпендикулярно плоскости проводящего диска и находится на вертикальной оси малого вертикального проводящего конуса, которая лежит на одной прямой с вертикальной осью большого проводящего конуса.
На фиг. 2 показан второй вариант реализации предлагаемой антенны. Малый проводящий конус антенны выполнен из девяти трубок 5 одинаковой длины. Большой проводящий конус антенны также выполнен из девяти трубок 1 одинаковой длины. Проводящий диск включает три короткие трубки 2 одинаковой длины и шесть длинных трубок 3 одинаковой длины. При этом короткие трубки 2 расположены равномерно в плоскости диска таким образом, что через каждые две длинные трубки 3 стоит одна короткая трубка 2. У данного варианта реализации для увеличения прочности конструкции антенны и стойкости к ветровым нагрузкам у большого проводящего конуса трубки 1 в своем основании соединены между собой горизонтальными проводящими перемычками. Каждая из девяти горизонтальных проводящих перемычек соединяет две соседние трубки 1 большого проводящего конуса. При этом один конец горизонтальной проводящей перемычки (левый) имеет электрическое соединение с одной трубкой конуса, а другой ее конец (правый) соединен с другой трубкой конуса посредством изолятора, т.е. не имеет с ней электрического соединения. В результате этого трубки 1, образующие большой проводящий конус, укорачиваются, сохраняя за счет горизонтальных перемычек свою электрическую длину. Аналогичным образом, за счет проводящих горизонтальных перемычек, уменьшается вертикальный размер малого вертикального проводящего конуса. При этом оба конца горизонтальной проводящей перемычки имеют электрическое соединение с соседними трубками конуса.
Вертикальные габаритные размеры всей антенны также уменьшаются приблизительно на 20%. За счет уменьшения вертикальных габаритов большого конуса и малого конуса уменьшается парусность антенны. На фиг. 3 показана кривая КСВ на входе данного варианта реализации предлагаемой антенны, установленной на телескопической мачте, на высоте 12 м.
Предлагаемая антенна имеет ширину рабочего диапазона частот 30-400 МГц. КСВ антенны на входном ВЧ соединителе 6 меньше 2,5 во всем диапазоне частот, вследствие чего прием и передача электромагнитных волн происходят с малыми потерями.
Антенна работает следующим образом.
При передаче в рабочем диапазоне частот сигнал от передатчика радиостанции по коаксиальному ВЧ кабелю поступает на входной ВЧ соединитель 6. По трубкам 1, 2, 3, 4, 5 текут высокочастотные токи, в результате чего происходит излучение электромагнитных волн. При работе на прием все происходит в обратном порядке. Падающие электромагнитные волны на проводящих трубках 1, 2, 3, 4, 5 предлагаемой антенны преобразуются в ВЧ токи, наведенные на их внешней поверхности. Далее ВЧ сигнал через входной ВЧ соединитель 6 по коаксиальному ВЧ кабелю поступает на приемник радиостанции.
Расчетно-экспериментальным методом установлено, что длины коротких трубок 2 и длинных трубок 3 проводящего диска предлагаемой антенны связаны следующим соотношением:
кор.
дл.
L=0,635⋅L,
кор.
дл.
где: L - длина короткой трубки, L - длина длинной трубки.
Расчетно-экспериментальным методом установлено, что высота вертикальной трубки 4 предлагаемой антенны и высота большого вертикального проводящего конуса связаны следующим соотношением:
т.
бол.
Н=0,644⋅Н,
т.
бол.
где Н - высота вертикальной трубки, Н - высота большого проводящего конуса.
Расчетно-экспериментальным методом установлено, что высота малого вертикального проводящего конуса предлагаемой антенны и высота большого вертикального проводящего конуса связаны следующим соотношением:
мал.
бол.
Н=0,322⋅Н,
мал.
бол.
где Н - высота малого вертикального проводящего конуса, Н - высота большого вертикального проводящего конуса.
Применение укороченных трубок в диске предлагаемой антенны позволяет дополнительно улучшить согласование на участке между нижними и средними частотами рабочего диапазона.
Дополнительная установка на диске дискоконусной антенны с вертикальной трубкой малого проводящего конуса позволяет улучшить согласование в верхней и средней частях рабочего диапазона частот.
Установка проводящей вертикальной трубки на диске дискоконусной антенны позволяет расширить рабочий диапазон в область нижних частот. Вертикальная трубка повышает эффективность работы антенны.
У предлагаемой антенны рабочий диапазон частот 30-400=370 МГц, что в 4,625 раза больше, чем у антенны-прототипа. Перекрытие предлагаемой антенны 400/30=13,33, что в 3,64 раза больше по сравнению с антенной-прототипом. Значительное расширение диапазона рабочих частот достигается исключительно за счет изменения геометрии антенны. При этом дополнительные цепи согласования не используются.
В связи с отсутствием необходимости использования в предлагаемой антенне цепи согласования упрощается электрическая схема антенны по сравнению с прототипом, что повышает надежность и долговечность работы антенны.
Благодаря широкому рабочему диапазону частот одна предлагаемая антенна может заменить несколько антенн разных диапазонов. Для наземных мачтовых антенн это означает, что вместо двух-трех мачт останется всего одна мачта. При этом уменьшится количество кабелей, идущих от радиостанции к антеннам, а также станет ненужным диплексер - частотно-разделительное устройство, связывающее радиостанцию с двумя антеннами разных диапазонов. Таким образом, применение предлагаемой антенны позволит значительно упростить всю наземную антенную систему.
Литература:
1. Родионов В.М. Линии передачи и антенны УКВ. Москва. Энергия. 1977 г. стр. 173;
2. Ильницкий Л.Я., Балбот А.А. Антенные устройства аэропортов гражданской авиации. Москва. Транспорт. 1983 г. стр. 75;
3. Антенна компании Harris, дискоконусная антенна RF-9072-AT001 (прототип).