ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2148287

ДИСКОКОНУСНАЯ АНТЕННА (ВАРИАНТЫ)

ДИСКОКОНУСНАЯ АНТЕННА (ВАРИАНТЫ)

Имя изобретателя: Жиряков В.Д.; Костырев А.Л.; Попов О.В.; Холодкова Л.А.; Чернолес В.П.
Имя патентообладателя: Военная академия связи
Адрес для переписки: 194064, Санкт-Петербург, Тихорецкий просп. 3, ВАС
Дата начала действия патента: 1998.10.06

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антенной технике, и может быть использовано в системах связи и навигации в радиолиниях подвижной воздушной связи. Техническим результатом изобретения является разработка дискоконусных антенн (ДКА), обеспечивающих работу как с линейной, так и с вращающейся поляризацией в более широком диапазоне частот и с улучшенным качеством согласования. В первом варианте ДКА состоит из противовеса 1 в виде проводников, расположенных по поверхности конуса вращения, металлического диска (МД) 2, металлической пластины (МП) 8, установленной над МД. Коаксиальный фидер 3 подключен одним проводником к противовесу 1, другим - к МД 2 и МП 8. Подключение МД 2 и МП 8 может быть выполнено по нескольким схемам. Во втором варианте ДКА дополнительно содержит вертикальный проводник, подключенный к МП, и реактивное индуктивное сопротивление, включенное в разрыв проводников, образующих противовес. Антенны обеспечивают работу в двух поддиапазонах (вариант 1) и трех поддиапазонах (вариант 2). Приведены оптимальные соотношения размеров элементов конструкции и результаты измерения электрических параметров ДКА.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенной технике, и может быть использовано в системах связи и навигации в радиолиниях подвижной воздушной радиосвязи.

Известны дискоконусные антенны (см., например, патент США N 4851859 от 25 июля 1989 г. МПК H 01 Q 1/36; патент Франции N 2591039 от 4 декабря 1985 г. МПК H 01 Q 13/00). Известные аналоги выполнены в виде дискоконусного излучателя, в котором противовес, представляющий собой группу проводников, расположенных по поверхности конуса вращения, подключен к экранной оболочке коаксиального фидера, а центральный проводник - к металлическому диску, установленному над противовесом перпендикулярно оси конуса вращения.

Недостатком указанных аналогов является ограниченный диапазон в области высоких частот (ВЧ), что обусловлено нарушением принципа самодополнительности конструкции, и как следствие - резкое снижение в ВЧ области качества согласования, характеризуемого величиной коэффициента бегущей волны (КБВ). Кроме того, указанные аналоги не обеспечивают формирование диаграммы направленного (ДП) в зенит, что ограничивает их применение в системах радионавигации и радиотелеметрии с летательными аппаратами.

Известна также дискоконусная антенна по патенту США N 3725943 от 3 апреля 1973 г. МПК H 01 Q 21/26, в которой роль диска выполняет система из 4-х ортогональных вибраторов-проводников, которые могут возбуждаться либо синфазно (режим излучения с вертикальной линейной поляризацией), либо в фазовой квадратуре (режим излучения с вращающейся поляризацией и максимумом диаграммы направленности в зенит). Такая антенна обеспечивает работу как в системах радиосвязи, так и в системах навигации и телеметрии (режим излучения с вращающейся поляризацией).

Недостатком данного аналога является также ограниченный диапазон в области ВЧ и относительно сложная система питания элементов антенны. Кроме того, в режиме работы с вертикальной линейной поляризацией антенна имеет относительно невысокое качество согласования, обусловленное тем, что роль диска выполняют четыре линейных вибратора, чем нарушается условие самодополнительности.

Наиболее близкой по своей технической сущности к заявленной является дискоконусная антенна по патенту США N 3742510 от 26 июня 1973 г. МПК H 01 Q 1/00. Антенна-прототип состоит из противовеса в виде четырех взаимно ортогональных трубчатых проводников, установленных по поверхности конуса вращения и подключенных к двум трактам питания: к одному из них - синфазно (режим ненаправленного излучения с вертикальной линейной поляризацией), ко второму - в фазовой квадратуре (режим с вращающейся поляризацией). К центральному проводнику первого тракта питания подключен металлический диск, плоскость которого перпендикулярна вертикальной оси конуса вращения. Антенна обеспечивает работу в системах радиосвязи с вертикальной линией поляризацией и ненаправленной диаграммой направленности в горизонтальной плоскости, а также в системах навигации и телеметрии в режиме круглополяризованного излучения с максимумом диаграммы направленности, ориентированным в зенит.

Однако антенна-прототип имеет недостатки:

ограниченный диапазон в области высоких частот (ВЧ) в режиме линейной поляризации, что объясняется нарушением принципа самодополнительности структуры, обусловленным конструкцией противовесов, имеющих значительную по размерам горизонтальную часть и, кроме того, выбором неоптимального угла их наклона, при котором не обеспечивается наилучшее качество согласования;

относительно невысокое качество согласования, обусловленное тем, что в качестве противовесов в прототипе использовано только четыре проводника, что также приводит к нарушению условия самодополнительности;

антенна обладает относительно сложной системой питания, включающей два тракта.

Целью заявляемых изобретений является разработка дискоконусной антенны, обеспечивающей работу как в режиме линейной вертикальной поляризации с ненаправленной диаграммой направленности в горизонтальной плоскости и более широким диапазоном рабочих частот в области ВЧ, так и в режиме вращающейся поляризации с максимумом диаграммы направленности, ориентированным в зенит, при одновременном упрощении конструкции антенны.

Поставленная цель в 1-м варианте заявленной антенны достигается тем, что в известной дискоконусной антенне, содержащей противовес, расположенный по поверхности конуса вращения, и коаксиальный фидер, экранная оболочка которого подключена к противовесу, а его центральный проводник кондуктивно подключен к металлическому диску, дополнительно над металлическим диском с диэлектрическим зазором параллельно его плоскости и симметрично относительно его центра установлена металлическая пластина (МП). МП подключена через отверстие в металлическом диске (МД) к одному из проводников коаксиального фидера. Центральный проводник коаксиального фидера может быть подключен к МД различным образом.

В первом случае центральный проводник коаксиального фидера подключен к МД с помощью прямолинейного проводника длиной lкз, который установлен с диэлектрическим зазором параллельно его плоскости. Периферийный конец этого проводника кондуктивно подключен к центральному проводнику коаксиального фидера. Дополнительно под металлическим диском, также параллельно его плоскости установлен с диэлектрическим зазором второй прямолинейный проводник длиной lхх, конец которого, примыкающий к центру диска, подключен к экранной оболочке коаксиального фидера. Длины проводников равны, т.е. lкз = lхх. При таком подключении центрального проводника коаксиального фидера металлическая пластина также может быть подключена к нему или непосредственно своим центром через отверстие в МД или с помощью прямолинейного проводника, установленного в зазоре между МП и МД, периферийный конец которого подключен к МП, а конец, примыкающий к центру МД, - к центральному проводнику коаксиального фидера.

Во втором случае центральный проводник коаксиального фидера подключен кондуктивно к центру металлического диска, а экранная оболочка коаксиального фидера - через отверстия в металлическом диске с помощью дополнительных отрезков проводников подключена к металлической пластине, причем противовес подключен к экранной оболочке коаксиального фидера с помощью прямолинейных проводников длиной lшл, установленных с диэлектрическим зазором параллельно экранной оболочке коаксиального фидера, причем lшл = (0,24ё0,26)lсрII, где lcpII - средняя длина волны второго поддиапазона рабочих волн дискоконусной антенны.

В случаях подключения центрального проводника или экранной оболочки коаксиального фидера к центру МП она может быть выполнена в форме диска.

При подключении МП к центральному проводнику коаксиального фидера с помощью дополнительного отрезка проводника, установленного в зазоре между МП и МД, металлическая пластина может быть выполнена либо в форме эллипса с коэффициентом сжатия k = y/x = (0,97 - 0,98), где y и x соответственно малая и большая оси эллипса, либо в форме прямоугольника с соотношением меньшей a и большей b сторон, выбранном в пределах a/b = (0,97 - 0,98). При выборе МП в форме эллипса проекция прямолинейного проводника, с помощью которого МП подключена к центральному проводнику коаксиального фидера должна быть ориентирована под углом 44 - 46o относительно большой оси. При выборе МП в форме прямоугольника проекция прямолинейного проводника должна также составлять угол 44 - 46o с осью прямоугольника, параллельной большей из его сторон. Размеры большей оси эллипса x и большей стороны прямоугольника b выбраны в интервале (0,58ё0,59)lcpII, где lcpII - средняя длина рабочей волны во II-м поддиапазоне дискоконусной антенны.

Во втором варианте поставленная цель достигается тем, что в известной дискоконусной антенне, содержащей противовес, расположенный по поверхности конуса вращения, МД, плоскость которого перпендикулярна вертикальной оси конуса вращения и коаксиальный фидер, экранная оболочка которого подключена к противовесу, а его центральный проводник кондуктивно подключен к МД, дополнительно над металлическим диском с диэлектрическим зазором параллельно его плоскости и симметрично его центра установлена МП. Металлическая пластина подключена к центральному проводнику коаксиально фидера через отверстие в МД с помощью прямолинейного проводника. Прямолинейный проводник установлен в зазоре между МП и МД параллельно их плоскостям. Периферийный конец прямолинейного проводника кондуктивно подключен к МП, а его конец, примыкающий к центру МД, подключен к центральному проводнику коаксиального фидера. МД подключен к центральному проводнику коаксиального фидера с помощью прямолинейного проводника длиной lкз, который установлен под металлическим диском параллельно его плоскости с диэлектрическим зазором.

Периферийный конец прямолинейного проводника длиной lкз кондуктивно подключен к МД, а его конец, примыкающий к центру МД, - к центральному проводнику коаксиального фидера. Дополнительно под МД параллельно его плоскости с диэлектрическим зазором установлен второй прямолинейный проводник длиной lхх. Конец второго прямолинейного проводника длиной lхх, примыкающий к центру диска, подключен к экранной оболочке коаксиального фидера. К верхней поверхности МП в ее центре подключен вертикальный отрезок проводника длиной lшп. В разрыв каждого из проводников противовеса включено реактивное индуктивное сопротивление XL[Oм] = 2pfmaxIL, где fmaxI - максимальная рабочая частота в I поддиапазоне дискоконусной антенны в Герцах (Гц), L - величина индуктивности в Генри (Гн). Суммарная длина отрезков проводников, образующих противовес и подключенных с двух сторон к реактивному индуктивному сопротивлению XL, выбрана в пределах l1+l2 = (0,24ё0,26)lminI. Длина отрезка проводника, включенного между экранной оболочкой коаксиального фидера и реактивным индуктивным сопротивлением, составляет (0,25ё0,28)lminII, а lminII и lminI - минимальные длины волн соответственно во II-м и в I-м поддиапазонах рабочих волн дискоконусной антенны. Длина вертикального отрезка проводника lшт, подключенного к центру МП, составляет lшт = (0,24ё0,26)lminI. МП может быть выполнена в форме эллипса с коэффициентом сжатия k = y/x = (0,97 - 0,98), где y и x соответственно малая и большая оси эллипса. Величина большей оси эллипса x выбрана в пределах (0,58ё0,59)lсрIII, где lcpIII - средняя длина рабочей волны в III-м поддиапазоне дискоконусной антенны.

Проекция прямолинейного проводника, с помощью которого МП подключена к центральному проводнику коаксиального фидера, на плоскость МП составляет с большей осью эллипса угол b = 44 - 46o. Величина реактивного индуктивного сопротивления XL выбрана из условия: XL » 8 - 10 Ом.

Благодаря перечисленным совокупностям существенных признаков в первом и втором вариантах дискоконусной антенны обеспечивается возможность расширения ее диапазона частот в область ВЧ как за счет более строго соблюдения условий самодополнительности структуры, так и работы на высоких частотах с помощью антенного элемента, сформированного из МП и МД, причем как в 1-м, так и во 2-м вариантах заявленной антенны обеспечивается режим ненаправленного излучения в горизонтальной плоскости с вертикальной линейной поляризацией и режим излучения с вращающейся поляризацией с максимумом диаграммы направленности, ориентированным в зенит. Кроме того, во 2-м варианте предлагаемой антенны, введение дополнительных элементов обеспечивает возможность работы в I-м поддиапазоне в режиме ненаправленного излучения в горизонтальной плоскости с вертикальной поляризацией. Возможность использования без нарушения указанных режимов работы сплошного металлического диска и противовесов в виде сплошной металлической поверхности или нескольких (10 - 16) проводников повышает качество согласования в сравнении с прототипом.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленных технических решений, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного изобретения условию патентоспособности "новизна". Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленных объектов, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует уровню патентоспособности "изобретательский уровень".

схема дискоконусной антенны

На фиг. 1 представлена схема дискоконусной антенны;

на фиг. 2 - схема дискоконусной антенны 1-го варианта, работающей в режиме линейной поляризации в двух поддиапазонах;

на фиг. 3 - схема дискоконусной антенны 1-го варианта, работающей в режиме линейной поляризации в I-м и II-м поддиапазонах;

на фиг. 4 - схема дискоконусной антенны 1-го варианта, работающей в режиме линейной (I поддиапазон) и вращающейся (II поддиапазон) поляризации;

на фиг. 5 - варианты выполнения металлического диска (в виде сплошной металлической поверхности и в виде радиально расходящихся проводников);

на фиг. 6 - варианты формы металлической пластины;

на фиг. 7 - варианты заполнения зазора между металлической пластиной и металлическим диском;

на фиг. 8 - варианты взаимной ориентации прямолинейных проводников lхх и lкз;

на фиг. 9 - схема дискоконусной антенны 2-го варианта;

на фиг. 10 - графические результаты измерения КБВ.

Заявленная дискоконусная антенна (1-й вариант), показанная на фиг. 2а, состоит из противовеса 1 в виде совокупности проводников длиной lпр, установленных по поверхности конуса вращения с углом a/2 между его вертикальной осью и образующей, и металлического диска 2 диаметром D, плоскость которого перпендикулярна вертикальной оси конуса вращения.

Противовес 1 и металлический диск 2 подключены к коаксиальному фидеру 3. Противовес 1 подключен к экранной оболочке 4 коаксиального фидера 3 (в точках "б").

Металлический диск 2 подключен к центральному проводнику 5 коаксиального фидера 3 кондуктивно с помощью отрезка прямолинейного проводника 6 длиной lкз, который установлен под МД 2 с диэлектрическим зазором "с" и подключен периферийным концом к МД 2 (точка "к"), а его конец, примыкающий к центру МД 2, подключен к центральному проводнику 5 коаксиального фидера 3 (точка "м") (фиг. 2а).

Дополнительно под металлическим диском 2 установлен также с диэлектрическим зазором "с" второй прямолинейный проводник 7 длиной lхх, который концом, примыкающим к центру МД 2, подключен к экранной оболочке 4 коаксиального фидера 36 (в точке "д").

Над МД 2 установлена с диэлектрическим зазором "s", симметрично относительно МД 2, металлическая пластина 8, которая подключена кондуктивно к центральному проводнику 5 коаксиального фидера 3 через отверстие 9 в МД 2 непосредственно к ее центру.

Заявленная дискоконусная антенна (1-й вариант), показанная на фиг. 3а, выполнена аналогично дискоконусной антенне, показанной на фиг 2а, за исключением того, что МП 8 подключена с помощью дополнительных отрезков проводников 11 через отверстия 12 в МД 2 к экранной оболочке 4 коаксиального фидера 3. Противовес 1 подключен к экранной оболочке 4 коаксиального фидера 3 с помощью прямолинейных отрезков проводников 14 длиной lшл, установленных с диэлектрическим зазором "c" параллельно экранной оболочке 4 коаксиального фидера 3, причем lшл = (0,24ё0,26)lcpII где lcpII - средняя длина волны II-го поддиапазона рабочих волн дискоконусной антенны.

Заявленная дискоконусная антенна (1-й вариант), показанная на фиг. 4а, выполнена аналогично дискоконусной антенне на фиг. 2а, за исключением того, что МП 8 подключена к центральному проводнику 5 коаксиального фидера 3 с помощью прямолинейного отрезка проводника 10 длиной lпл, установленного в зазоре между МП 8 и МД 2. Прямолинейный проводник 10 установлен под МП 8 с зазором "c". Периферийный конец проводника 10 подключен кондуктивно к МП 8 (в точке "з"), а конец, примыкающий к центру МД 2, - к центральному проводнику 5 коаксиального фидера 3 (в точке "м").

МД 2 может быть выполнен либо в форме сплошной металлической поверхности (фиг. 5а), либо в виде радиально расходящихся проводников длиной D/2 (фиг. 5б). При выполнении МД 2 из радиально расходящихся в плоскости металлического диска проводников число их выбирается из условия, чтобы угол U между соседними проводниками составлял 9 - 10o. Диаметр проводников выбирается из условий выполнения эксплуатационных требований, при которых обеспечивается требуемая механическая прочность конструкции.

МП 8 в случае ее подключения к коаксиальному фидеру 3 в центре (на фиг. 2а - к центральному проводнику 5 коаксиального фидера 3, на фиг. 3а - к экранной оболочке 4 коаксиального филера 3) может быть выполнена в виде металлического диска диаметром d (фиг. 6а).

При подключении МП 8 к центральному проводнику 5 коаксиального фидера 3 с помощью прямолинейного отрезка проводника 10 (фиг. 4а) металлическая пластина 8 может быть выполнена или в форме эллипса с малой y и большой x осями (фиг. 6б), или в форме прямоугольника со сторонами a и b (фиг. 6в). При выполнении МП 8 эллиптической формы ее большая ось выбирается из условия: x = (0,58ё0,59)lcpII При прямоугольной форме МП 8 ее большая сторона выбирается из условия b = (0,58ё0,59)lcpII. Соотношение осей эллипса и сторон прямоугольника МП 8 выбирают из условия y/x = (0,97 - 0,98); a/b = (0,97 - 0,98).

Во всех вариантах исполнения МП 8 она должны быть установлена симметрично относительно МД 2 (фиг. 6).

Проекция прямолинейного проводника 10, с помощью которого МП 8 подключена к центральному проводнику 5 коаксиального фидера 3, на плоскость МП 8 составляет с большой осью МП 8 в форме эллипса (фиг. 6б) или осью симметрии, параллельной большей стороне МП 8 в виде прямоугольника (фиг. 6в), угол b = 44 - 46o.

МП 8 может быть установлена на МД 2 либо с воздушным зазором "s" (фиг. 7а), либо на диэлектрической подложке 13 толщиной "s" (фиг. 7б).

Прямолинейные проводники 6 и 7 (фиг. 2а и фиг. 4а), установленные под металлическим диском 2, могут быть ориентированы относительно друг друга либо соосно, либо под углом Y = 170 - 190o (фиг. 8).

Заявленная дискоконусная антенна (2-й вариант), показанная на фиг. 9а, состоит из противовеса 1 в виде совокупности проводников, установленных по поверхности конуса вращения с углом a/2 между его вертикальной осью и образующей, и металлического диска 2 диаметром D, плоскость которого перпендикулярна вертикальной оси конуса вращения.

Противовес 1 и металлический диск 2 подключены к коаксиальному фидеру 3. Причем каждый из проводников, составляющих противовес 1 и подключенных к экранной оболочке 4 коаксиального фидера 3 (в точках "б"), состоит из двух последовательно соединенных отрезков проводников l1 и l2, между которыми включено реактивное индуктивное сопротивление XL[Oм] = 2pfmaxIL, где fmaxI - максимальная рабочая частота в I-м поддиапазоне дискоконусной антенны в Гц; L - величина индуктивности в Гн, причем суммарная длина отрезков l1 и l2 проводников противовесов, подключенных с двух сторон к реактивному индуктивному сопротивлению XL, выбрана в пределах l1+l2 = (0,24ё0,26)lminI, а длина l1 отрезка противовеса, включенного между экранной оболочкой коаксиального фидера и реактивным индуктивным сопротивлением, составляет (0,25ё0,28)lminII, где lminII и lminI - минимальные длины рабочих волн соответственно во II-м и I-м поддиапазонах дискоконусной антенны.

Металлический диск 2 подключен к центральному проводнику 5 коаксиального фидера 3 с помощью отрезка прямолинейного проводника 6 длиной lкз, который установлен под МД 2 с диэлектрическим зазором "c", и периферийным концом кондуктивно подключен к МД 2 (точка "к"), а его конец, примыкающий к центру МД 2, подключен к центральному проводнику 5 коаксиального фидера 3 (точка "м").

Дополнительно под металлическим диском 2 установлен также с диэлектрическим зазором "c" второй прямолинейный проводник 7 длиной lхх, который концом, примыкающим к центру МД 2, подключен к экранной оболочке 4 коаксиального фидера 3 (в точке "д").

Над МД 2 установлена с диэлектрическим зазором "s" симметрично относительно МД 2 металлическая пластина 8, которая подключена кондуктивно к центральному проводнику 5 коаксиального фидера 3 с помощью прямолинейного отрезка проводника 10 длиной lпл, установленного в зазоре между МП 8 и Мд 2. Прямолинейный проводник 10 установлен под МП 8 с зазором "c". Периферийный конец проводника 10 подключен кондуктивно к МП 8 (в точке "з"), а конец, примыкающий к центру МД 2, - к центральному проводнику 5 коаксиально фидера 3.

К верхней поверхности МП 8, в ее центре, подключен вертикальный отрезок проводника 15 длиной lшт = (0,24ё0,26)lminI где lminI - минимальная длина рабочей волны в I-м поддиапазоне дискоконусной антенны.

МД 2 может быть выполнен также как и в 1-м варианте заявленной антенны, либо в форме сплошной металлической поверхности (фиг. 5а), либо в виде радиально расходящихся проводников длиной D/2 (фиг. 5б).

МП 8, при включении ее к центральному проводнику 5 коаксиального фидера 3 с помощью прямолинейного отрезка проводника 10, может быть выполнена либо в форме эллипса с малой y и большой x осями (фиг. 6б) или в форме прямоугольника со сторонами a и b (фиг. 6в). Условия выбора размеров МП 8 и прямолинейного проводника 10 такие же, как и в I-м варианте заявленной антенны.

Диаметр проводников противовесов 1 при выполнении их из отдельных отрезков проводников выбирается из условий выполнения эксплуатационных требований, при которых обеспечивается требуемая механическая прочность конструкции.

Заявленная антенна (вариант 1, фиг. 2а) работает следующим образом.

При подаче питания на коаксиальный фидер 3 на частоте I-го поддиапазона центральный проводник 5 коаксиального фидера 3, кондуктивно связанный с металлическим диском 2 с помощью прямолинейного проводника 6 длиной lкз, возбуждает электромагнитную волну в пространстве между металлическим диском 2 и проводниками противовесов 1. Эта электромагнитная волна распространяется в горизонтальной плоскости равномерно во все стороны и имеет вертикальную поляризацию, так как возбуждающийся элемент тока ориентирован вертикально. Эквивалентная схема и формы диаграмм направленности такой излучающей системы представлены на фиг. 2б. По принципу действия она аналогична обычной дискоконусной антенне, работающей в диапазоне волн от lminI » 2lпр (отклонение максимума диаграммы направленности вверх в вертикальной плоскости находится в допустимых пределах) до lmaxI » 4lпр (при такой длине волны коэффициент стоячей волны - КСВ @ 2). Так как в I-м поддиапазоне антенны выполняется условие lкз = lxx << lminI, то прямолинейные проводники 6 и 7 длиной соответственно lкз и lхх не оказывают влияния на возбуждение дискоконусной антенны. Их сопротивления XкзI = itg(2plкз/lminI) _® 0, а XxxI = ictg(2plxx/lminI) _® Ґ.

Металлическая пластина 8, находящаяся над металлическим диском 2, имеет с ним один и тот же потенциал и поэтому тоже не влияет на возбуждение дискоконусной антенны. Эквивалентные схемы и диаграммы направленности в плоскостях E и H заявленной антенны в I-м поддиапазоне аналогичны диаграммам направленности обычной дискоконусной антенны (фиг. 2б, фиг. 3б и фиг. 4б).

схема дискоконусной антенны 1-го варианта, работающей в режиме линейной поляризации в двух поддиапазонах
схема дискоконусной антенны 1-го варианта, работающей в режиме линейной (I поддиапазон) и вращающейся (II поддиапазон) поляризации
схема дискоконусной антенны 1-го варианта, работающей в режиме линейной (I поддиапазон) и вращающейся (II поддиапазон) поляризации
варианты выполнения металлического диска (в виде сплошной металлической поверхности и в виде радиально расходящихся проводников)
варианты формы металлической пластиныварианты заполнения зазора между металлической пластиной и металлическим диском
варианты взаимной ориентации прямолинейных проводников
схема дискоконусной антенны 2-го варианта
графические результаты измерения КБВ

На частоте fсрII дискоконусной антенны, удовлетворяющей условию pd/lcpII » 3,84 при подключении центрального проводника 5 коаксиального фидера 3 к центру металлической пластины 8 (фиг. 2а) или условию pd/lcpII » 1,841 - для случая возбуждения металлической пластины 8 с края (фиг. 4а), входное сопротивление короткозамкнутого шлейфа, образованного прямолинейным проводником 6 длиной

Поэтому он не влияет на возбуждение металлической пластины 8, расположенной над диском 2. Входное сопротивление разомкнутого шлейфа, образованного прямолинейным проводником 7 длиной

Поэтому экранная оболочка 4 коаксиального фидера 3 кондуктивно подключена к металлическому диску 2. При этом центральный проводник 5 коаксиального фидера 3, кондуктивно подключенный к металлической пластине 8, возбуждает в пространстве между металлической пластиной 8 и металлическим диском 2 электромагнитное поле. Эквивалентные схемы заявленной антенны для II-го поддиапазона проведены на фиг. 2в и фиг. 4в.

При подключении центрального проводника 5 коаксиального фидера 3 к центру металлической пластины 8 (фиг. 2а) и выполнении условия pd/lcpII » 3,84 в зазоре между металлической пластиной 8 и металлическим диском 2 устанавливается синфазное вертикально ориентированное электрическое поле, которое возбуждает электромагнитную волну с вертикальной поляризацией и ненаправленным излучением в горизонтальной плоскости. В этом случае диаграмма направленности в плоскостях E и H во II-м поддиапазоне заявленной антенны аналогична диаграмме направленности вертикального электрического диполя (фиг. 2в).

При подключении центрального проводника 5 коаксиального фидера 3 к краю металлической пластины 8 (фиг. 4а) и выполнении условия pd/lcpII » 1,841 в зазоре между металлической пластиной 8 и металлическим диском 2 устанавливается синфазное вертикально ориентированное электрическое поле, которое на краях металлической пластины 8 распределено по закону E0Чcosj, где j - угол в горизонтальной плоскости, отсчитываемый от радиус-вектора, проходящего из центра металлической пластины 8 через точку возбуждения. Такое распределение поля по периметру металлической пластины 8 возбуждает электромагнитную волну с максимумом диаграммы направленности в вертикальной плоскости, ориентированным в зенит (фиг. 4в). Если металлическая пластина 8 выполнена в форме круга (фиг. 6а), то вектор электрического поля излучаемой электромагнитной волны лежит в плоскости, проходящей через точку возбуждения и центр металлической пластины 8, и направлен перпендикулярно радиус-вектору, проведенному от центра металлической пластины 8 к точке наблюдения. Если металлическая пластина 8 имеет форму эллипса (фиг. 6б) с коэффициентом сжатия 0,97 - 0,98, то структура электромагнитного поля в пространстве между металлической пластиной 8 и металлическим диском 2 такова, что излучаемая в зенит электромагнитная волна имеет две ортогональные, с фазовым сдвигом 90o, составляющие электрического поля, лежащие в одной плоскости с осями эллипса. Поэтому электромагнитная волна имеет круговую поляризацию. Круговая поляризация при максимуме излучения диаграммы направленности в вертикальной плоскости в зенит имеет место и при выполнении металлической пластины 8 в форме прямоугольника (фиг. 6в) с соотношением сторон 0,97 - 0,98 и возбуждении ее в одном из углов прямоугольника. При таком способе возбуждения электромагнитное поле в пространстве между металлической пластиной 8 и металлическим диском 2 представляет суперпозицию полей, возбуждаемых источниками, располагаемыми во взаимно ортогональных вертикальных плоскостях, параллельных осям эллипса для металлической пластины 8 в форме эллипса или сторонам прямоугольника для металлической пластины 8 в форме прямоугольника. При указанном выше соотношении геометрических размеров обеспечивается равноамплитудное квадратурное возбуждение этих полей и, как следствие - круговая поляризация излучаемой электромагнитной волны.

Заявленная антенна, выполненная по варианту 1 и показанная на фиг. 3а, работает следующим образом: при подаче питания на коаксиальный фидер 3 на частоте I-го поддиапазона дискоконусной антенны центральный проводник 5 коаксиального фидера 3, кондуктивно подключенный к металлическому диску 2, возбуждает электромагнитную волну в пространстве между металлическим диском 2 и противовесами 1. Эквивалентная схема такой излучающей системы и ее диаграмма направленности в I-м поддиапазоне аналогичны эквивалентной схеме и диаграмме направленности обычной дискоконусной антенны (фиг. 3б). Ввиду того, что металлическая пластина 8, расположенная над металлическим диском 2, возбуждается на более высокой частоте (fсрII), чем максимальная частота I-го поддиапазона (FmaxI), то она (металлическая пластина 8) не оказывает заметного влияния на работу дискоконусной антенны и представляет собой некоторую конструктивную емкость, включенную параллельно точкам возбуждения дискоконусной антенны. Короткозамкнутый шлейф, образованный прямолинейными проводниками 14 длиной (lшл = lcpII/4) << lminI много меньше минимальной длины волны I-го поддиапазона заявленной антенны и поэтому не оказывает влияния на возбуждение дискоконусной антенны в I-м поддиапазоне рабочих частот.

При работе дискоконусной антенны в II-м поддиапазоне входное сопротивление шлейфа, образованного прямолинейными проводниками 14 длиной lшл = lcpII/4, равно

Поэтому шлейф, образованный прямолинейными проводниками 14, отключает проводники противовесов 1 для волны длиной lcpII и металлический диск 2 противовесами 1 не возбуждается.

Экранная оболочка 4 коаксиального фидера 3, кондуктивно подключенная к металлической пластине 8 с помощью прямолинейных проводников 11 через отверстия 12 в металлическом диске 2, возбуждает в зазоре между металлической пластиной 8 и металлическим диском 2 электромагнитное поле. Это поле является источником электромагнитной волны, излучаемой от краев металлической пластины 8 и металлического диска 2. Эквивалентная схема возбуждения металлической пластины 8, а также формы диаграмм направленности в плоскостях E и H заявленной антенны представлены на фиг. 3в. Принцип формирования электромагнитной волны в II-м поддиапазоне аналогичен вышеописанному для данного диапазона.

Заявленная антенна (вариант 2, фиг. 9а), в отличие от рассмотренной антенны варианта 1, работает в трех частотных поддиапазонах. Причем рабочие частоты и принцип работы антенны варианта 2 в II-м и III-м частотных поддиапазонах полностью соответствуют рабочим частотам и принципу работы рассмотренной антенны варианта 1 в ее I-м и II-м частотных поддиапазонах. Это объясняется тем, что прямолинейный проводник 15 длиной lшт, установленный вертикально на МП 8, не оказывает влияния на работу антенны в этих частотных диапазонах, а модуль реактивного индуктивного сопротивления 17 XL[Oм] = 2pfmaxIL имеет существенно большее значение, чем сопротивление излучения антенны на частотах II-го и III-го поддиапазонов. Этим достигается "отсечка" нижних отрезков 16 противовеса длиной l2. Эквивалентные схемы и диаграммы направленности в плоскостях E и H заявленной антенны варианта 2 для II-го и III-го диапазонов приведены на фиг. 9б,в.

В I-м частотном поддиапазоне антенны варианта 2 модуль реактивного индуктивного сопротивления 17 величиной XL пренебрежительно мал, т.е. происходит "удлинение" противовесов 1 за счет подключенных через реактивное индуктивное сопротивление нижних отрезков 16 противовеса длиной l2. В то же время электрические размеры МП 8 и МД 2 на частотах I-го поддиапазона малы и их влияние можно не учитывать. Эквивалентная схема дискоконусной антенны в I-м поддиапазоне, показанная на фиг. 9г, представляет собой вертикальный несимметричный вибратор с противовесом. Известно, что диаграммы направленности такого излучателя в плоскостях E и H имеют такой же вид, как и у вертикального несимметричного вибратора с противовесом (фиг. 9г).

В обоих вариантах заявленной антенны размер "m" (фиг. 2 - 4 и 9) выбирается из конструктивных соображений, с учетом достижения необходимой механической прочности узла распайки коаксиального фидера. Практически всегда стремятся размер "m" минимизировать.

Теоретические предпосылки и возможность указанного технического результата проверялись в ходе экспериментальной отработки макетов заявленной антенны, в ходе которой оценивались качество согласования (коэффициенты бегущей волны, КБВ) в рабочем диапазоне частот; поляризационная структура поля излучения; диаграммы направленности; оптимальное соотношение размеров элементов конструкции.

В результате исследований установлено, что наилучший технический результат достигается при выборе соотношений размеров заявленных вариантов дискоконусной антенны, представленных в табл. 1.


С учетом приведенных соотношений при использовании заявленных антенн по варианту 1 и варианту 2 оптимальными будут размеры элементов конструкции, представленные в табл. 2

Результаты измерений КБВ, показанные на фиг. 10, подтверждают возможность работы заявленного устройства с приемлемым качеством. Причем в ВЧ части диапазона частот антенны обеспечивается работа как с линейной, так и с вращающейся поляризацией.

При работе с вращающейся поляризацией в ВЧ диапазоне формируется диаграмма направленности с максимумом излучения в вертикальной плоскости, ориентированным в зенит и ненаправленная в горизонтальной плоскости.

В режиме линейной поляризации обеспечивается формирование ненаправленной диаграммы направленности во всех трех режимах, в том числе и в ВЧ диапазоне. Формы измеренных диаграмм направленности практически не отличаются от приведенных на фиг. 2б,в; фиг. 3б,в; фиг. 4б,в; фиг. 9б,в,г.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Дискоконусная антенна, содержащая противовес, расположенный по поверхности конуса вращения, металлический диск, плоскость которого перпендикулярна вертикальной оси конуса вращения и коаксиальный фидер, экранная оболочка которого подключена к противовесу, а его центральный проводник кондуктивно подключен к металлическому диску, отличающаяся тем, что дополнительно над металлическим диском с диэлектрическим зазором параллельно его плоскости и симметрично относительно его центра установлена металлическая пластина, подключенная через отверстие в металлическом диске к одному из проводников коаксиального фидера.

2. Дискоконусная антенна по п.1, отличающаяся тем, что центральный проводник коаксиального фидера подключен к металлическому диску с помощью прямолинейного проводника длиной lкз, установленного с диэлектрическим зазором под металлическим диском параллельно его плоскости, периферийный конец которого кондуктивно подключен к металлическому диску, кроме того, дополнительно под металлическим диском параллельно его плоскости установлен с диэлектрическим зазором второй прямолинейный проводник длиной lхх, подключенный к экранной оболочке коаксиального фидера концом, примыкающим к центру металлического диска, причем lкз = lхх, причем металлическая пластина подключена к центральному проводнику коаксиального фидера.

3. Дискоконусная антенна по п. 1, отличающаяся тем, что центральный проводник коаксиального фидера подключен кондуктивно к центру металлического диска, а экранная оболочка коаксиального фидера через отверстия в металлическом диске с помощью дополнительных отрезков проводников подключена к металлической пластине, причем противовес подключен к экранной оболочке коаксиального фидера с помощью прямолинейных проводников длиной lшл, установленных с диэлектрическим зазором параллельно экранной оболочке коаксиального фидера, причем lшл = (0,24-0,26)lсрII, где lcpII - средняя длина волны второго поддиапазона рабочих волн дискоконусной антенны.

4. Дискоконусная антенна по п.2, отличающаяся тем, что центральный проводник коаксиального фидера подключен к центру металлической пластины.

5. Дискоконусная антенна по п.2, отличающаяся тем, что центральный проводник коаксиального фидера подключен к металлической пластине с помощью прямолинейного проводника, установленного в зазоре между металлическим диском и металлической пластиной параллельно их плоскостям, причем периферийный конец прямолинейного проводника кондуктивно подключен к металлической пластине, а его конец, примыкающий к центру металлического диска, к центральному проводнику коаксиального фидера.

6. Дискоконусная антенна по п.3 или 4, отличающаяся тем, что металлическая пластина выполнена в форме диска с диаметром, составляющим (1,22-1,23)lcpII, где lcpII - средняя длина волны во втором поддиапазоне рабочих волн дискоконусной антенны.

7. Дискоконусная антенна по п.5, отличающаяся тем, что металлическая пластина выполнена в форме эллипса с коэффициентом сжатия k = y/x = 0,97 - 0,98, где y и x - соответственно малая и большая оси эллипса, а значение большой оси х, выбрано в пределах x = (0,58-0,59)lcpII, где lcpII - средняя длина волны во втором поддиапазоне рабочих волн дискоконусной антенны, причем проекция прямолинейного проводника длиной lпл на плоскость металлической пластины составляет с большей осью эллипса угол b = 44 - 46o.

8. Дискоконусная антенна по п.5, отличающаяся тем, что металлическая пластина выполнена в форме прямоугольника с соотношением меньшей a и большей b сторон, выбранных в пределах a/b = 0,97 - 0,98, а длина большей стороны прямоугольника b выбрана в интервале (0,58-0,59)lcpII, где lcpII - средняя длина волны во втором поддиапазоне рабочих волн дискоконусной антенны, причем проекция прямолинейного проводника длиной lпл на плоскость металлической пластины составляет с осью ее симметрии, параллельной большей стороне этой металлической пластины, угол b = 44 - 46o.

9. Дискоконусная антенна, содержащая противовес, расположенный по поверхности конуса вращения, металлический диск, плоскость которого перпендикулярна вертикальной оси конуса вращения и коаксиальный фидер, экранная оболочка которого подключена к противовесу, а его центральный проводник кондуктивно подключен к металлическому диску, отличающаяся тем, что дополнительно над металлическим диском с диэлектрическим зазором параллельно его плоскости и симметрично относительно его центра установлена металлическая пластина, подключенная к центральному проводнику коаксиально фидера через отверстие в металлическом диске с помощью прямолинейного проводника, установленного в зазоре между металлическим диском и металлической пластиной параллельно их плоскостям, периферийный конец которого кондуктивно подключен к металлической пластине, а металлический диск подключен к центральному проводнику коаксиального фидера с помощью прямолинейного проводника длиной lкз, установленного под металлическим диском параллельно его плоскости с диэлектрическим зазором, периферийный конец которого кондуктивно подключен к металлическому диску, кроме того, под металлическим диском параллельно его плоскости установлен второй прямолинейный проводник длиной lхх, конец которого, примыкающий к центру металлического диска, подключен к экранной оболочке коаксиального фидера, к верхней поверхности металлической пластины в ее центре подключен вертикальный отрезок проводника длиной lшт, а в разрыв каждого из проводников противовеса включено реактивное индуктивное сопротивление xL[Oм] = 2pfmaxIL, где fmaxI - максимальная рабочая частота в первом поддиапазоне дискоконусной антенны в Гц; L - величина индуктивности в Гн, причем суммарная длина отрезков l1 и l2 проводников противовесов, подключенных с двух сторон к реактивному индуктивному сопротивлению XL выбрана в пределах l1+l2 = (0,24-0,26)lminI, а длина l1 отрезка противовеса, включенного между экранной оболочкой коаксиального фидера и реактивным индуктивным сопротивлением составляет (0,25-0,28)lminII, где lminII и lminI - минимальные длины волн соответственно во втором и первом поддиапазонах рабочих волн дискоконусной антенны, а длина вертикального отрезка проводника, подключенного к центру металлической пластины, составляет lшт = (0,24-0,26)lminI.

10. Дискоконусная антенна по п.9, отличающаяся тем, что металлическая пластина выполнена в форме эллипса с коэффициентом сжатия k = y/x, выбранным в пределах 0,97 - 0,98, где y и x - соответственно малая и большая оси эллипса, а значение x = (0,58-0,59)lcpIII, где lcpIII - средняя длина волны в третьем поддиапазоне рабочих волн дискоконусной антенны, причем проекция прямолинейного проводника на плоскость металлической пластины составляет с большей осью эллипса угол b = 44 - 46o.

11. Дискоконусная антенна по п.9 или 10, отличающаяся тем, что величина реактивного индуктивного сопротивления XL выбрана в пределах XL » 8 - 10 Ом.

Версия для печати


вверх