СВЕРХШИРОКОПОЛОСНАЯ АНТЕННА ДЛЯ ДИАПАЗОНА ДМВ1
SUPER-WIDE BAND ANTENNA FOR DMV1 RANGE

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антеннам приемо-передающих устройств для связи между стационарными объектами или наземными объектами с изменяющимся во времени их взаимным расположением, функционирующих в диапазоне ДМВ1. Кроме того, изобретение относится к антеннам с вертикальной поляризацией и круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости.
Известны антенны, использующие несимметричный вибратор с широкополосным согласующим устройством (ШСУ) в основании полотна антенны. Такие антенны имеют достаточно высокие потери из-за использования ШСУ. Примером могут служить антенны MVDP100X5 фирмы Hascall-Denke (США), WB-1048М фирмы COJOT (Финляндия), AD-44/E фирмы TRIVAL ANTENE (Словения), RF-3 I64-AT122 фирмы HARRIS (США). Например, характеристики антенны MVDP100X5 фирмы Hascall-Denke следующие: коэффициент стоячей волны КСВ в диапазоне частот от 100 до 512 МГц не более 3,5, коэффициент усиления Ку - в пределах от минус 4 до 0 дБ.
Наиболее близкой к заявляемой является широкополосная антенна согласно заявке на патент США US 2006022883 (опубликована 02.02.2006; МПК H01Q 1/00, H01Q 1/36, H01Q 9/30, H01Q 9/36), содержащая полотно антенны, разъем, подсоединенный в основании к полотну антенны, емкостный элемент, излучающий элемент полотна антенны, выполненный из спирали в виде витой цилиндрической пружины, и несимметричный вибратор, ориентированный вертикально, при этом один конец спирали подсоединен к разъему, а другой конец - к несимметричному вибратору.
В известном устройстве для крепления полотна антенны используется винтовой разъем, а сигнал приемо-передающего устройства подается через емкостный элемент-конденсатор - в область нижней части спирали. Кроме того, использована дополнительная катушка индуктивности, установленная между двумя частями несимметричного вибратора. Устройство имеет сложную конструкцию, большие габариты, в зависимости от размеров излучающих элементов может работать в достаточно узких диапазонах частот, например 100-200 МГц.
Решаемая изобретением задача заключается в улучшении технико-эксплуатационных характеристик широкополосной антенны.
Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является увеличение ширины диапазона рабочих частот, обеспечение максимально возможного коэффициента перекрытия по частоте, повышение коэффициента усиления, упрощение конструкции и уменьшение габаритов антенны.
Для решения поставленной задачи с достижением технического результата широкополосная антенна содержит полотно антенны, разъем, подсоединенный в основании к полотну антенны, емкостный элемент, излучающий элемент полотна антенны, выполненный из спирали в виде витой цилиндрической пружины, и несимметричный вибратор, ориентированный вертикально. При этом первый конец спирали подсоединен к центральному проводнику коаксиального разъема, а второй конец - к несимметричному вибратору. Разъем выполнен коаксиальным. Емкостный элемент выполнен в виде отрезка коаксиального кабеля, расположенного внутри спирали. Центральная жила коаксиального кабеля подсоединена к месту соединения второго конца спирали и несимметричного вибратора, а оплетка - к наружному проводнику коаксиального разъема.
Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых:
- введена втулка, установленная на коаксиальном разъеме и электрически связанная с ним, при этом часть витков спирали расположена внутри втулки;
- в качестве несимметричного вибратора использован электропроводящий стержень, или трубка, или гибкий трос.
Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются с помощью варианта его выполнения со ссылками на фигуру 1.
Фигура 1 схематично изображает конструкцию сверхширокополосной антенны для диапазона ДМВ1.
Широкополосная антенна содержит полотно 1 антенны, разъем 2, подсоединенный в основании к полотну 1 антенны, емкостный элемент 3, излучающий элемент полотна антенны, выполненный в виде спирали 4 из витой цилиндрической пружины, и несимметричный вибратор 5, ориентированный вертикально. При этом первый конец спирали 4 (нижний на фиг. 1) подсоединен к центральному проводнику (не показан) разъема 2, а второй конец спирали (верхний на фиг. 1) подсоединен к несимметричному вибратору 5. Разъем 2 выполнен коаксиальным. Емкостный элемент 3 выполнен в виде отрезка коаксиального кабеля, расположенного внутри спирали 4. Центральная жила 6 коаксиального кабеля подсоединена к месту соединения второго конца спирали 4 и несимметричного вибратора 5, а оплетка 7 - к наружному проводнику разъема 2.
Кроме того, может быть введена втулка 8, установленная на разъеме 2 и электрически связанная с ним, при этом часть витков спирали 4 расположена внутри втулки 8.
В качестве несимметричного вибратора 5 может быть использован электропроводящий стержень, трубка или гибкий трос.
Работает устройство следующим образом.
Предлагаемая конструкция сверхширокополосной антенны представляет собой несимметричный вибратор 5 с широкополосным согласующим устройством в виде Г-образного LC-контура, в котором роль индуктивности выполняет спираль 4, являющаяся частью полотна 1 антенны.
Как известно, ширина полосы частот контура зависит от добротности элементов контура и на практике определяется, в основном, добротностью катушки индуктивности. Поскольку в предлагаемой конструкции спираль 4 - катушка индуктивности - является частью излучателя, ее добротность уменьшается за счет полезной отдачи энергии на излучение, а не за счет тепловых потерь. Таким образом, достигается широкая полоса рабочих частот при высоком КПД антенны.
Пример конструкции антенны, работающей в диапазоне частот от 136 до 520 МГц, приведен на фиг. 1.
К центральному проводнику разъема 2 подключается индуктивность, выполненная в виде спирали 4 (витой цилиндрической пружины). Верхний на фиг. 1 конец спирали 4 соединен с несимметричным вибратором 5, который может быть изготовлен в виде стержня, трубки или гибкого троса. Место соединения спирали 4 и несимметричного вибратора 5 через емкостный элемент 3 LC-контура соединяется с корпусом разъема 2 (наружным проводником).
Для уменьшения габаритных размеров антенны емкостный элемент 3 выполнен из отрезка тонкого коаксиального кабеля, расположенного внутри спирали 4. На верхнем по фиг. 1 конце тонкого коаксиального кабеля используется только центральная жила 6 отрезка коаксиального кабеля, а на нижнем по фиг. 1 конце тонкого коаксиального кабеля - только его оплетка 7. Такая конструкция значительно расширяет полосу рабочих частот за счет распределения емкости вдоль витков спирали 4. Аналогичный эффект наблюдается при расположении двух-трех нижних витков пружины 4 внутри втулки 8 разъема 2, как показано на фиг. 1.
Предлагаемая антенна характеризуется более широкой полосой частот, нежели полоса частот ближайшего аналога согласно US 2006022883. Это достигается за счет отсутствия второй индуктивности, включенной в основное полотно, и меньшей по величине первой индуктивности (в основании полотна). Как известно, добротность колебательного контура, каким является полотно любой антенны, зависит, кроме других факторов, от отношения индуктивности к емкости. Поэтому уменьшение индуктивной составляющей полотна антенны ведет к снижению добротности, а следовательно, к расширению полосы частот.
Кроме того, предлагаемая антенна характеризуется Ку, значение которого больше, чем значение Ку антенны согласно US 2006022883, за счет отсутствия диэлектрических каркасов, на которых намотаны индуктивности, в которых возникают потери. В предложенной антенне индуктивность является несущей частью полотна (для лучшей проводимости может быть выполнена в виде стальной омедненной пружины), и каркас ей не нужен.
Как показали испытания, заявленная конструкция антенны обеспечивает КСВ не более 3,5 в диапазоне рабочих частот от 136 до 520 МГц и Ку от минус 2 до 4 дБ в направлении горизонта.
Наиболее успешно заявленная сверхширокополосная антенна для диапазона ДМВ1 применяется для связи между стационарными объектами или подвижными объектами, например передвижными радиостанциями.