НЕСИММЕТРИЧНАЯ ВИБРАТОРНАЯ АНТЕННА

НЕСИММЕТРИЧНАЯ ВИБРАТОРНАЯ АНТЕННА


RU (11) 2313163 (13) C1

(51) МПК
H01Q 9/00 (2006.01) 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.01.2008 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

Документ: В формате PDF 
(21) Заявка: 2006112881/09 
(22) Дата подачи заявки: 2006.04.17 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2006.04.17 
(45) Опубликовано: 2007.12.20 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: МАРКОВ Г.Т. и др. Антенны. - М.: Энергия, 1975, с.342, рис.9-5в. РОТХАММЕЛЬ К. Антенны, т.1. - Минск: Наш город, 2001, с.369, рис.19.28. ИЛЬНИЦКИЙ Л.Я. и др. Антенные устройства аэропортов гражданской авиации. - М.: Транспорт, 1983, с.171, рис.8.5в. 
(72) Автор(ы): Мирошниченко Анатолий Яковлевич (RU); Хотячук Валентин Константинович (RU) 
(73) Патентообладатель(и): МИНОБОРОНЫ РОССИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ 18 ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ (RU) 
Адрес для переписки: 111123, Москва, ФГУП 18 ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МИНОБОРОНЫ РОССИИ 

(54) НЕСИММЕТРИЧНАЯ ВИБРАТОРНАЯ АНТЕННА
Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в стационарных и мобильных системах связи в KB и УКВ диапазонах частот, в частности, в качестве базовой антенны передающей станции. Технический результат заключается в улучшении согласования вертикального вибратора с коаксиальным фидером и в увеличении коэффициента усиления антенны в направлении горизонта и под малыми углами места. Сущность изобретения состоит в том, что антенна содержит вертикальный вибратор, коаксиальный фидер, запирающий цилиндр и реактивный шлейф в виде короткозамкнутого отрезка коаксиальной линии, подключенного параллельно коаксиальному фидеру у основания вертикального вибратора. Даны электрические размеры вибратора, запирающего цилиндра и реактивного шлейфа. 5 ил. 




ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в стационарных и мобильных системах связи в KB и УКВ диапазонах частот, в частности в качестве базовой антенны передающей станции.

Известны несимметричные вибраторные антенны, содержащие вертикальный вибратор четвертьволновой высоты, проводящий экран и коаксиальный фидер, подключенный к основанию вертикального вибратора и экрану [1].

Однако известные несимметричные вибраторные антенны имеют недостаточно высокий уровень согласования вибратора с коаксиальным фидером, имеющим волновое сопротивление Zo =50 Ом. Даже при оптимальном для входного сопротивления вибратора размере экрана, превышающем высоту вибратора в 4 раза (D э ), значения КСВн на выходе вибратора КСВн 2.0.

Кроме того, вследствие дифракции электромагнитной волны на кромке проводящего экрана диаграмма направленности антенны в горизонтальной плоскости приобретает изрезанность, а в вертикальной плоскости искажается из-за антенного эффекта коаксиального фидера и отжимается от экрана, что уменьшает коэффициент усиления антенны в направлении горизонта.

Наиболее близким техническим решением для заявленного является коаксиальная антенна, описанная в [2]. Она содержит вертикальный вибратор, коаксиальный фидер, внутренний проводник которого подключен к основанию вертикального вибратора, и запирающий цилиндр, надетый с зазором на внешний проводник коаксиального фидера и соединенный с ним у основания вертикального вибратора.

Известная коаксиальная антенна имеет следующие ограничения: невысокое согласование с коаксиальным фидером, так как при длине вертикального вибратора и запирающего цилиндра lв=lц=0.25 , где - рабочая длина волны, активная составляющая входного сопротивления Rвх 90 Ом, а реактивная составляющая Хвх =+j45 Ом [3]; невысокий коэффициент усиления в направлении горизонта и под малыми углами места, который составляет G=1.4...2.0 дБ [3], что во многих случаях недостаточно для связи в KB и УКВ диапазонах частот.

В изобретении решается задача создания антенны вертикальной линейной поляризации с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости, обладающей более высоким коэффициентом усиления в вертикальной плоскости, чем у четвертьволнового вибратора, расположенного над идеально проводящим экраном.

Технический результат, который может быть получен для заявленной несимметричной вибраторной антенны при ее осуществлении, состоит в улучшении согласования вертикального вибратора с коаксиальным фидером и увеличении коэффициента усиления антенны в направлении горизонта и под малыми углами места.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата, в известной коаксиальной антенне, содержащей вертикальный вибратор, коаксиальный фидер, внутренний проводник которого подключен к основанию вертикального вибратора, и запирающий цилиндр, надетый с зазором на внешний проводник коаксиального фидера и соединенный с ним у основания вертикального вибратора, согласно изобретению введен реактивный шлейф, выполненный в виде короткозамкнутого отрезка коаксиальной линии, имеющей волновое сопротивление, равное волновому сопротивлению коаксиального фидера, подключенного параллельно коаксиальному фидеру у основания вертикального вибратора, при этом размеры вертикального вибратора, реактивного шлейфа и запирающего цилиндра выбраны из соотношений: высота вертикального вибратора равна (0.64...0.68) , длина реактивного шлейфа равна (0.20...0.24) и длина запирающего цилиндра равна (0.18...0.20) , где - рабочая длина волны, - длина волны в коаксиальной линии реактивного шлейфа с учетом диэлектрической проницаемости заполнителя.

На фиг.1 изображен общий вид заявленной несимметричной вибраторной антенны. На фиг.2 показано распределение амплитуды и фазы тока по высоте h вибратора на частоте, при которой h=0.68 . На фиг.3 показана резонансная характеристика настройки антенны. На фиг.4 и фиг.5 показаны экспериментальные диаграммы направленности заявленной антенны в вертикальной (пл. Е) и горизонтальной (пл. H) плоскости на частоте, когда электрическая высота вибратора h/ =0.68.

Предлагаемая несимметричная вибраторная антенна состоит из вертикального вибратора 1, коаксиального фидера 2, запирающего цилиндра (стакана) 3 и реактивного шлейфа 4. Высота h вибратора 1 выбрана из соотношения h=(0.64...0.68) , где - рабочая длина волны. Он может иметь штыревую или трубчатую форму, а также телескопическую конструкцию, позволяющую при транспортировке уменьшать его габариты. Коаксиальный фидер 2 имеет волновое сопротивление Zo=50 Ом. Фидер 2 имеет произвольную длину, которая определяется только расстоянием от антенны до приемопередатчика. Запирающий цилиндр 3 имеет трубчатую форму, выполнен из латуни или меди и надет с зазором на внешний проводник 5 коаксиального фидера 2. Он имеет гальванический контакт с внешним проводником 5 коаксиального фидера 2 у основания вибратора 1.

Внутренний диаметр запирающего цилиндра 3 произволен, а его длина l ц выбрана из соотношения lц=(0.18...0.20) .

Внутренний проводник 6 коаксиального фидера 2 подключен через конический переход к основанию вибратора 1 в точке 7. К этой же точке 7 подключен внутренний проводник 8 короткозамкнутого на конце 9 отрезка коаксиальной линии, который является реактивным шлейфом 4. Реактивный шлейф 4 имеет волновое сопротивление Z ш=50 Ом. Длина lш реактивного шлейфа 4 выбрана из соотношения lш=(0.20...0.24) , где - длина волны в коаксиальной линии реактивного шлейфа с учетом диэлектрической проницаемости заполнителя.

Внешний проводник 10 коаксиальной линии реактивного шлейфа 4 соединен с внешним проводником 5 фидера 2 в точке 11 у основания вибратора 1. Реактивный шлейф 4 может располагаться ортогонально оси вибратора 1, как показано на фиг.1, или вдоль запирающего цилиндра 3.

Несимметричная вибраторная антенна в режиме передачи работает следующим образом. Энергия электромагнитных колебаний, генерируемых передатчиком, по коаксиальному фидеру 2 канализируется к точке 7 основания вибратора 1. Между точкой 7 и точкой 11 «нулевого» потенциала коаксиального фидера 2 возникает переменное напряжение, которое возбуждает ток на вибраторе 1. Кроме того, вследствие несимметричности питания вибратора 1, на внешней поверхности проводника 5 фидера 2 появляется ток, ответвляющийся с его внутренней поверхности. В предлагаемой конструкции несимметричной вибраторной антенны этот ток резко ослаблен, так как на его пути имеется запирающий цилиндр 3 в виде отрезка коаксиальной линии, образованной внутренней поверхностью цилиндра 3 и внешней поверхностью проводника 5 коаксиального фидера 2, закороченных у основания вибратора 1. Такой короткозамкнутый отрезок коаксиальной линии при длине lкз =lц=(0.18...0.20) имеет высокое входное сопротивление, препятствующее затеканию тока на внешнюю поверхность проводника 5 коаксиального фидера 2. В результате существенно ослабляется антенный эффект коаксиального фидера. Это улучшает равномерность излучения антенны в горизонтальной плоскости, приближая форму диаграммы направленности к круговой, и уменьшает искажения диаграммы в вертикальной плоскости, увеличивая коэффициент усиления антенны в направлении горизонта. Кроме того, уменьшается реактивная составляющая входного сопротивления вибратора, что улучшает согласование антенны с фидером.

Экспериментально установлено, что вертикальный вибратор высотой h=(0.64...0.68) с запирающим цилиндром на питающем коаксиальном фидере, имеющем длину, лежащую в пределах lц=(0.18...0.20) , имеет активную составляющую входного сопротивления R вх=52...60 Ом и реактивную составляющую Х вх=-j(12...30) Ом. При этом реализуются значения КСВ н=1.3...1.5.

Для дальнейшего улучшения согласования антенны с питающим фидером, имеющим волновое сопротивление Z o=50 Ом, достаточно включить параллельно фидеру 2 в точках 7, 11 шунтирующую индуктивную проводимость, компенсирующую емкостную составляющую Хвх входного сопротивления антенны. Это в заявленной антенне реализуется с помощью реактивного шлейфа 4, выполненного в виде короткозамкнутого отрезка коаксиальной линии, имеющей волновое сопротивление, равное волновому сопротивлению Zo=50 Ом коаксиального фидера 2, и включенного в антенну, как показано на фиг.1. При длине l ш=(0.20...0.24) короткозамкнутый реактивный шлейф имеет входное сопротивление индуктивного характера.

Этого достаточно для компенсации емкостной составляющей входного сопротивления вибратора 1 X вх=-j(12...30) Ом и, следовательно, обеспечения на его входе режима второго последовательного резонанса. Резонансная характеристика настройки антенны показана на фиг.3. На резонансной частоте размеры элементов антенны равны: h=0.68 , lц=0.2 , lш=0.2 . При этом входные нормированные параметры и КСВ н антенны составляют значения, равные: R вх=1.02, Xвх=-j0.03, КСВ н=1.02.

Полоса рабочих частот по уровню КСВ н=2.0, определяемая отношением верхней частоты f в к нижней частоте fн, равна f в/fв=1.03.

Второй последовательный резонанс достигается также при размерах элементов антенны h=0.64 , lц=0.18 , lш=0.24 со следующими значениями входных параметров и КСВ н: Rвх=1.03, Xвх =-j0.08, КСВн=1.1.

Таким образом, за счет выбора размеров несимметричной вибраторной антенны в пределах соотношений h=(0.64...0.68) , lц=(0.18...0.20) , lш=(0.20...0.24) обеспечивается на ее входе режим второго последовательного резонанса с Rвх 50 Ом, что улучшает согласование вибратора с коаксиальным фидером, имеющим волновое сопротивление Zo =50 Ом.

Распределение амплитуды и фазы тока по длине вертикального вибратора высотой h=0.68 , полученное в результате эксперимента, показано на фиг.2 (отсчет значений h ведется от вершины вибратора). Видно, что распределение амплитуды тока на вибраторе имеет приближенно вид стоячей волны с максимумами А(0.18 )=1.0 на h=0.18 и А(0.6 )=0.52 на h=0.6 и минимумами А(0)=0.38 на вершине вибратора и А(0.5 )=0.2 на расстоянии h=0.5 от вершины. Это указывает на интенсивное излучение вибратора на участке h=0...0.5 .

Фазовое распределение имеет скачок фазы на h=0.5 , в котором происходит изменение знака фазы. Это приводит к тому, что на оставшемся участке вибратора длиной 0.18 появляется противофазный ток (четная полуволна тока), направление которого противоположно направлению протекания тока на участке вибратора h=0...0.5 . В результате на основной и большей части вибратора (h=0...0.5 ) протекает синфазный ток ( +[45°...180°]), вызывающий излучение главных лепестков диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости. Противофазный ток, протекающий на меньшей части вибратора [h=(0.5...0.68) ] и имеющий меньшую амплитуду в пучности, несколько ослабляет поле излучения основной части вибратора и вызывает появление боковых лепестков в вертикальной плоскости.

Экспериментально установлено также, что амплитуда тока на запирающем цилиндре 3 линейно уменьшается к концу цилиндра на 5...8 дБ по сравнению с током у основания вибратора (h=0.68 ). Амплитуда тока на внешнем проводнике 5 коаксиального фидера 2, измеренная на участке за запирающим цилиндром 3, вначале несколько возрастает, но везде на 1...20 дБ меньше амплитуды тока у основания вибратора 1. Это подтверждает факт существенного ослабления антенного эффекта фидера в заявленной конструкции несимметричной вибраторной антенны.

Сказанное выше подтверждается результатами измерения диаграмм направленности антенны в вертикальной (пл. Е) и горизонтальной (пл. Н) плоскостях, которые представлены на фиг.4-5. Из них следует, что угол места максимумов главных лепестков диаграммы направленности в вертикальной плоскости составляет 10°. В максимуме главных лепестков коэффициент усиления антенны равен Gm=6.25 дБ, в направлении горизонта - Gг=5.25 дБ. Для значения h=0.64 эти значения составляют: Gm=8.2 дБ, Gг=7.2 дБ.

Таким образом, выполнение несимметричной вибраторной антенны согласно изобретению позволяет также увеличить коэффициент усиления антенны по сравнению с четвертьволновым вибратором над идеально проводящим экраном в направлении горизонта не менее чем на Gг=5.25-1.9=3.35 дБ, а под малыми углами места 

В горизонтальной плоскости (пл. Н) диаграмма направленности антенны (фиг.5) имеет форму, близкую к круговой. Неравномерность диаграммы не превышает 0.6 дБ в пределах 360°.

Выполнение несимметричной вибраторной антенны в виде вертикального вибратора высотой h=(0.64...0.68) , подключенного к внутреннему проводнику питающего коаксиального фидера, на внешний проводник которого с зазором надет запирающий цилиндр длиной lц=(0.18...0.20) , закороченный с внешним проводником у основания вибратора, и введение в антенну реактивного шлейфа в виде отрезка коаксиальной линии, подключенного параллельно фидеру и имеющего длину l ш=(0.20...0.24) , позволяет улучшить согласование вертикального вибратора с коаксиальным фидером и увеличить коэффициент усиления антенны в направлении горизонта и под малыми углами места на 1.05...3.35 дБ.

Литература

1. Марков К.Т., Сазонов Д.М. Антенны, М., Энергия, 1975 г., стр.342.

2. Ротхаммель К., Антенны, т.2, Минск, 2001 г., стр.103.

3. Mitsumo Taguchi and other. Sleeve antenna with ground wires. IEEE Trans on Antennas and Propagat., v.39, №1, January 1991, p.5.




ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


Несимметричная вибраторная антенна, содержащая вертикальный вибратор, коаксиальный фидер, внутренний проводник которого подключен к основанию вертикального вибратора, и запирающий цилиндр, надетый с зазором на внешний проводник коаксиального фидера и соединенный с ним у основания вертикального вибратора, отличающаяся тем, что введен реактивный шлейф, выполненный в виде короткозамкнутого отрезка коаксиальной линии, имеющей волновое сопротивление, равное волновому сопротивлению коаксиального фидера, подключенного параллельно коаксиальному фидеру у основания вертикального вибратора, при этом размеры вертикального вибратора, реактивного шлейфа и запирающего цилиндра выбраны из соотношений: высота вертикального вибратора (0,64-0,68) , длина реактивного шлейфа (0,2-0,24) , длина запирающего цилиндра (0,18-20) , где - рабочая длина волны; - длина волны в коаксиальной линии реактивного шлейфа с учетом диэлектрической проницаемости заполнителя.






ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал
Электроника и электротехника




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+автомобильная -сигнализация".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "датчик" будут найдены слова "датчик", "датчики" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("датчик!").


Металлоискатели и металлодетекторы | Электронные устройства охраны и сигнализации | Электронные устройства систем связи | Приемные и передающие антенны | Электротехнические и радиотехнические контрольно-измерительные приборы и способы электроизмерений | Электронные устройства пуска, управления и защиты электродвигателей постоянного и переменного тока | Электродвигатели постоянного и переменного тока | Магниты и электромагниты | Кабельно-проводниковые и сверхпроводниковые изделия


Рейтинг@Mail.ru