Многочастотная малогабаритная антенна

 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в радиотехнических системах декаметрового и метрового диапазонов волн, Антенна содержит N (N 1,2,3...) антенных элементов 6, расположенных над противовесом 5 в N этажей на изолированной внешней поверхности первой проводящей трубы 1, внутри которой коаксиально расположена вторая проводящая труба 2, верхний конец которой подвижным дисковым короткозамыкателем 3 соединен с внутренней поверхностью первой проводящей трубы 1, а нижний конец, установленный на изоляторе 4, соединен с противовесом 5 через регулируемый реактивный элемент 16. При этом каждый элемент 6 выполнен в виде коаксиальной линии, разделенной на п (п 1,2,3...) дискретных расположенных параллельно сегментов 13, внешний и внутренний проводники 15, 1 которых соединены с внешним и внутренним проводниками 15, 1 соседних сегментов 13 последовательно и перекрестно, причем соседние антенные элементы 6 соединены также последовательно и перекрестно . Внутренний проводник первого сегмента 13 первого элемента 6 соединен через блок 8 согласования с коаксиальной линией 7 питания, а его внешний проводник - с противовесом 5, внутренний проводник 1 последнес Ј (Л

СОВХОЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (g1)g Н 01 О 9/42

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

flPH ГННТ СССР (21) 4685222/09 (22) 25 .04 .89 (46) 15.01.92 ° Вюл. М 2 (71) Радиоастрономический институт

AH УССР (72) 8.П. Бовкун ° А.А. Гридин и И.Н.Жук (53) 62!.396.673(088.8) (56) Патент США Н 4400702, кл. Н 01 g 99//4422, опублик.23.08.83. (54) МНОГОЧАСТОТНАЛ МАЛОГРЬАРИТНАЛ

АНТЕННА (57) Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в ралиотехнических системах декаметрового и метрового диапазонов волн.

Антенна годержит N (N = 1,2,3...) антенных элементов 6, расположенных над противовесом 5 я N этажей на изолированной внешней поверхности первой проводящей трубы 1, внутри которой коаксиально расположена вторая проводящая труба 2, верхний конец ко„„SU„„1705928 А 1 торой подвижным дисковым короткозамыкателем 3 соединен с внутренней поверхностью первой проводящей трубы 1, а нижний конец, установленный на изоляторе 4, соединен с противовесом 5 через регулируемый реактивный элемент 16. При этом каждый элемент 6 выполнен в виде коаксиальной линии, разделенной на п (и = 1,2,3...) дискретных расположенных параллельно сегментов 13, внешний и внутренний проводники 15, 14 которых соединены с внешним и внутренним проводниками

15, 14 соседних сегментов 13 последовательно и перекрестно, причем соседние антенные элементы 6 соединены также последовательно и перекрестно. Внутренний проводник первого сегмента 13 первого элемента 6 соединен через блок 8 согласования с коаксиальной линией 7 питания, а егo внешний проводник — с противовесом

5, внутренний проводник 14 последне1705928 ь5 го сегмента 11 послернего элемента

6 соединен с первой трубой l. Общая высота многочастотной малогабаритной антенны менее четвертым минимал ной длины волны рабочего диапазона.

Расположение N элементов 6 a N этажей позволяет сформировать всенаправленную в азимутальной плоскости

Изобретение относится к антенным устройствам и может быть использовано в радиотехнических системах декаметрового и метрового диапазонов длин волн там, где требуются антенны малых размеров, в частности в подвижных системах связи.

Современные вибраторные антенны широко используются как в виде самостоятельных элементов, так и в составе антенных решеток. Остро стоит 25 проблема уменьшения размеров вибраторных антенн, расширения их рабочего частотного диапазона.

Известна малогабаритная многочастотная антенна, содержащая п рамоч- 30 ных элементов, установленных симметрично вокруг оси над противовесом, каждый из которых имеет излучающий и защищенный специальным защитным устройством участки, радиочастотную линию от передатчика, подключенную экраном к противовесу, а внутренним проводником к одному концу первого перестраиваемого конденсатора, второй конец соединен с незащищенной

40 частью первого антенного элемента и одним концом второго перестраиваемого конденсатора, второй конец которого соединен с противовесом, причем каждая из оставшихся частей элемен45 тов соединена с контактами реле, которые осуществляют последовательнопараллельное соединение элементов, а управление реле осуществляется блоком управления таким образом, что

50 эффективная длина антенны изменяется в зависимости от рабочей частоты передатчика, 8 известном устройстве в зависимости от рабочей частоты с помощью реле осуществляется последовательнопараллельное соединение элементов, 1 что позволяет менять частоту настройки антенны. Однако данное устройство диаграмму направленнос ти, а размещение элементов 6 на изолированной внешней поверхности первой трубы 1 позволяет повысить КПД зз счет возбужрения токов не только на внешней floBppxHoсти внешних проводников 15 элементов 6, а на всей внешней поверхности первой проводящей трубы 1. 4 ил.

HP. может эффективно работать пднпвременно на нескольких частотах, чтп не позволяет использпяать его при многочастотном приеме. Кроме тогo,наличие большого числа коммутационных элементов существенно снижает надежность устройства. Все это пгганичивает область применения известногo устройства.

Известна малогабапитная вибраторная антенна, спдержащая размещенный над противовесом отрезок проводящей трубы с установленным в ее полости поперечным верхним прояпрящим диском, причем отрезок проводящей трубы снабжен нижним провпдящим диском с выполненным в нем симметрично отверстием, замыкаю,им ее торец, обращенным к противовесу, а между нижним и вер>ним проводящими дисками ус гановлены продольные радиальные перегородки с прорезями, разделяющие полость проводящей трубы на секторы, в каждом иэ которых размещены продольные изолированные проводники, посперовательно соединенные орин с другим перемычками, проходящими сквозь прорези продольных перегпрпрок, причем нижний свободный конец одного из них пропущен сквпзь отверстие в нижнем проводящем диске и ппрключен к центральному проворнику коаксиальной линии питания, à оставшийся свободный конец замкнут на нижний проводящий диск, Известная антенна имеет небольшие габариты, но обладает малым коэффициентом перекрытия по частоте (К

1,25), что существенно снижает пбласть применения.

Известна широкополосная антенна на основе отрезков коаксиальной линии, сорержащая расположенный нар противовесом излучагель из отрезка линии передачи, состоящей из излу1УОУ328 чающего и неизлучаюшего проводников, соединяющихся сяоими внешними концами, и удлинительный проводник, подключенный к указанному соединению.

Неизлучающий внутренний проводник соединен с противовесом, а излучающий наружный — с передатчиком (приемником).

В известной антенне шлейф, образованный короткозамкнутым отрезком линии передачи, подключается последовательно или параллельно с точкой питания антенны и пассивными элементами. шлейф вносит реактивное сопротивление, противоположное по знаку сопротивлению, возникающему B антенне при изменении частоты, таким образом происходит частичная компенсация реактивности антенны, что расширяет полосы частот ее эффективного излучения.

Однако изяегтная антенна является четвертьволновым излучателем, поэтому в декаметровом диапазоне длин волн ее габариты достаточно велики, а коэффициент перекрытия по частоте мал, что ограничивает область ее применения.

Наиболее близким по технической 3р сущности к предлагаемому устройству является укоро енная антенна с коаксиальными линиями я качестве антенных элементов, которая содержит

35 выполненных в виде коаксиальных линий длиной в четверть рабочей длины волны, разделенных на n (n = 1,2,3...) лискретных, расположенных параллельно сегментов, причем внутренний пповодник одного соединен последовательно с внешним проводником соседнего сегмента, а его внешний проводник - с внутренним проводником соседнего, nhразуя последовательное соединение сег-<> ментов, коаксиальную линию питания, соединенную с согласующим устройством, один выходной контакт которого соединен с противовесом, а вторгй - с внутренним проводником первого сегмента первого антенного элемента.

Известная антенна имеет малые габариты и эффективно излучает на резонансной частоте. Для достижения эффективного излучения íà N частотах предлагается несколько вариантов логопериодических антенн, каждый элемент которых заменен на известную антенну. Такие логопериодические антенны обладают высокой направленностью и позволяют уменьшить размер антенны только в одном направлении, так как известно, что для обеспечения широкополосности минимальная длина логопериодической антенны должна быть больше tl,áô . Поэтому простая замена

MOKC элементов логопериодической структуры на известные антенны позволяет уменьшить ее габариты в одном направлении.

Целью изобретения является йормирование всенаправленной в азимутальной плоскости диаграммы направленноМ сти при повышении КПД.

Цель достигается тем, что я многочастотной малогабаритной антенне, содержащей N (N = 1,2,3...) расположенных над противовесом, соединенных последовательно антенных элементов, выполненных в виде коаксиальных линий, разделенных HB n (и = 1,2,3...) дискретных, расположенных параллельно сегментов, причем внутренний проводник одного соединен последовательно с внешним проводником соселнего сегмента, а его внешний проводник - с внутренним проводником соседнего, об" разуя последовательное соединение сегментов, коа ксиальную линию питания, ( соединенную с блоком согласования, один выходной контакт которого соединен с противовесом, а второй — с внутренним проводником первого сегмента первого антенного элемента, кроме этого антенные элементы располагаются в

Y этажей на изолированной внешней поверхности первой проводящeи трубы высотой НсЪ „ ч /4, где ) кц - минимальная длина волны рабочего диапазона, внутри которой располагается коаксиально вторая труба, верхний конец которой соединен подвижным дисковым короткозамыкателем с внутренней поверхностью первой проводящей трубы, а нижний конец, установленный на изоляторе, соединен с противовесом через регулируемый ре" активный элемент, причем центральный проводник последнего сегмента последнего этажа соединен с первой проводящей трубой. Размещение антенных элементов в N этажей при настройке каждого этажа, с учетом взаимного влияния соседних этажей и проводящей трубы, на свою резонансную частоту позволяет формировать всенаправленную в азимутальной плоскости диаграмму направленности.

1705928

Введение проводящей трубы, обладающей по сравнению с сегментами антенных элементов значительно большим Kr1/l, так как ее размеры значительно превышают размеры сегментов, в условиях сильной связи трубы с антенными элементами повышает 1<ПД антенны.

Отрезок короткозамкнутой линии длиной 1с%»к /4, образованный двуMR коаксиально расположенными проводящими трубами и подвижным дисковым короткозамыкателем, во всем рабом:M диапазоне частот носит индуктивный характер. Он позволяет совместно с регулируемым реактивным элементом уменьшить величину и изменение реактивного сопротивления антенны. Таким образом, введение коротко— замкнутого шлейфа и регулируемого реактивного элемента существенно улучшает согласование антенны с питающим фидером.

На фиг. 1 схематически изображена 25 предложенная антенна, на фиг.2 схема соединений кабельных антенных сегментов и элементов, на фиг.3 электрическая схема двухчастотной. антенны, на фиг. 4 — предложенная антенна, выполненная на полосковых линиях.

Многочастотная малогабаритная антенна содержит два отрезка проводящей трубы: наружный 1 и внутренний 2, проводящий диск 3, соединяющий внутреннюю поверхность наружной трубы с внешней поверхностью внутренней, изолятор 4, соединяющий нижний конец, внутренней трубы 2 с противове- 40 сом 5, N (N = 112,3...) антенных элементов 6, расположенных в N этажей на внешней поверхности наружной трубы 1, коаксиальную линию питания 7, соединенную с блоком согласования Я, 45 общая шина 9 которого соединена с противовесом 5, а потенциальная шина

10 - с входом 11 первого антенного элемента, выход 12 которого соединен с входом 11 второго антенного элемента, а его выход 1? - с входом 11 последующего антенного элемента.

8ход 12 последнего антенного элемента соединен с наружной трубой 1.

Каждый антенный элемент содержит

n (n = 1,2,3...) дискретных, расположенных параллельно сегментов 13, выполненных из отрезков коаксиально го кабеля. Начало внутреннего проводника 14 перв го сегмента соединено с входом 11 антенного элемента

6, a em конец соединен с началом внешнего проводника 15 второго сегмента. Конец внешнего проводника 15 первого сегмента соединен с началом внутреннего проводника 14 второго сегмента . Конец внутреннего проводника 14 второго сегмента соединен с началом внешнего проводника 15 третьего сегмента. Конец внешнего проводника 15 второго сегмента соединен с началом внутреннего проволника 14 третьего сегмента и т.д. Конец внутреннего проводника 14 последнего сегмента соединен с выходом антенного элемента 12. Нижний конец внутренней трубы 2 соединен с противовесом через регулируемый реактивный элемент 16.

Предложенная антенна работает следующим образом.

Антенна возбуждается разностью потенциалов, создаваемой генератором на входе 1-го антенного элемента. Каждый антенный элемент 6 представляет собой резонансную систему, эквивалентную колебательному контуру, с собственным реактивным сопротивлением Х< и активным сопротивлением г = г „ + г<, где г л - сопротивление тепловых потерь, г — сопротивление излучения. антенного элемента. Труба 1 также может быть прелставлена в виде эквивалентного колебательного контура с активным сопротивлением г = г д + г и реBKTHRHblM сопротивлением Х, которое для трубы длиной 1 g/4 носит ем-! костной характер, Каждый антенный элемент 6 настроен с учетом вносимых сопротивлений соседних элементов на свою резонансную частоту. Первый со стороны генератора антенный элемент настроен на верхнюю частоту рабочего диапазона, а последний - на нижнюю. Расположение антенных элементов в вертикальной плоскостм значительно ослабляет паразитные связи между ними. Однако по отношению к трубе 1, от которой антенные элементы изолированы, они расположены параллельно, благодаря чему обеспечивается реактивная связь кажлогo антенного элемента с тру ой. При чисто реактивной связи м."жду колебательными контурами Х g активные составляющие вносимых сопротивлений всег1705928

25

Возбуждение антенных элементов производится в следующей последовательности. На верхней частоте рабочего диапазона резонирует первый со стороны генератора антенный элемент. При этом реализуется оптимальная связь первого антенного элемента 6 и трубы 1, а энергия источника распределяется практически поровну между ними. В другие антенные элементы поступает малая

55 да положительные, а реактивные составляющие Х в„и Х в„имеют знаки, противоположные знакам реактивных сопротивлений Х = Х + Х и Х „

Х + Х р вторичного (трубы) и первичного (антенного элемента) контуров соответственно. По мере приближения частоты генератора к резонансной частоте антенного элемента

r в„возрастает, стремясь к максимальному значению га вн макс l

/г(, а Уг вн стремится к нулю.

В свою очередь, если частота будет приближаться к резонансной частоте 15 вторичного контура (трубы), будет расти г1в«, стремясь к Ви. макС стремиться к нулю. Токи в антенном элементе 6 и B трубе 1 пропорциональны ЭДС генератора, поэтому максимуму тока в антенном элементе 6 будет соответствовать максимум тока в трубе 1. Оптимальное сопро тивление связи Х t2 выбирается из условия, что при резонансе собственное сопротивление антенного элемента равно сопротивлению, комплексно сопряженному с сопротивлением, вносимым из трубы 1 в антенный элемент 6. При этом квадрат отношения токов в антенном элементе и трубе будет равен та /r<, а энергия источника булет поровну распределяться между ними, Поэтому 35

КПД антенны при резонансе и оптимальной связи равно полусумме 1<ПП трубы и антенного элемента.

КПД предложенной антенны из-за относительно высоких потерь в ан- 40 тенных элементах в основном определяется трубой, которую сравнительно легко реализовать с высоким

KAfl, Обеспечивается согласование антенны с генератором на резонансных частотах каждого антенного элемента.

1 часть энергии исто ника, TBK как они имеют на этой частоте большое реактивное сопротивление и не согласованы с генератором. При понижении частоты увеличиваются собственные емкостные сопротивления трубы и первого антенного элемента и уменьшаются индуктивные сопротивления послелующих антенных элементов. При резонансе на второй рабочей частоте реализуется оптимальная связь между трубой и первыми двумя антенными элементами И примерно половина энергии источника передается трубе 1. Третий и последующие антенные элементы при этом остаются рассогласованными с генератором и к ним поступает малая доля энергии генератора. При дальнейшем понижении частоты продолжают расти собственные емкостные сопротивления трубы и первых антенных элементов. Однако, так как в сильно связанных резонансных цепях вносимые реактивные сопротивления имеют противоположные знаки, это позволяет уменьшить реактивные сопротивления и реализовать оптимальную связь и на более низких рабочих частотах последующих антенных элементов.

Последний антенный элемент нагружен на емкость трубы 1, которая на самой низкой частоте рабочего лиапаэона выполняет роль N + 1 антенного элемента . Слелует отметить, что каждый антенный элемент и их совокупность резонируют и на своих более высоких гармониках. . В качестве примера конкретной реализации на фиг.3 приведена электрическая схема лвухэлементной антенны.

Каждый антенный элемент 6 состоит из трех сегментов 13. Труба 1 изображена схематически в виде емкостной нагрузки выхода 12 второго элемента 6.

Для упрощения на фиг. 3 не показаны цепи сопротивлений связи индуктивного шлейфа и реактивного сопротивления между антенной и противовесом. При возбуждении входа 11 первого антенного элемента 6 по внутреннему проводнику первого сегмента течет ток, показанный стрелкой, который вызывает на внутренней поверхности внешнего проводника коаксиальногo отрезка кабеля 13 противофазный ток. Так как внешний проводник н» заземлен, то по его внешней поверкности потечет ток того же направления, что и

1705928

1О ток, протекаюший по внутреннему проводнику. На перекрестном соединении сегментов ток центрального проводника первого сегмента переходит на внешнюю поверхность наружного проводника соседнего сегмента, меняя при этом свою фазу на противоположную, а ток внешней поверхности внешнего проводника первого сегмента переходит на внутренний проводник второго сегмента, также меняя фазу на противоположную. Аналогичная картина наблюдается при перекрестном соединении остальных сегментов. Выходной ток первого антенного элемента возбуждает Вхпр, 11 второго антенного элемента. Распределение тока во втором антенном элементе аналогично распределению в первом.

Труба 1 является емкостной нагрузкой для последнего сегмента второго антенного элемента и, по-существу, третьим односегментным антенным элементом. Совместно с трубой 2 она одновременно является компенсирующим индуктивным шлейфом для всех антенных элементов.

Таким образом, на резонансной частоте антенного элемента, определяемой суммарной геометрической длиной всех его сегментов, вносимыми сопротивлениями соседних антенных элементов, короткозамкнутого шлейфа и реактивности между антенной и противовесом, все токи на внешних (излучающих) поверхностях внешних проводников 15 сегментов 13 синфазны, что при оптимальной связи обеспечивает эффективность излучения ° На частотах, отличных от резонансных, эффективность излучения антенны резко уменьшается за счет нарушения оптимальной связи и синфазности токов на поверхностях сегментов ввиду дополнительных фазовых сдвигов, обусловленных реактивностями сегментов. Малая связь между антенными элементами обусловлена многоэтажным расположением антенных элементов и разрывом наружного проводника при этажном расположении антенных элементов.

Регулируемый реактивный элемент

16, включенный между противовесом и нижним концом трубы 2, позволяет эффективно регулировать входной имперанс антенны.

Следует отметить, что подобно тому, как из лвух несимметричных штыревых антенн может быть образована симметричная антенна на ту же резонансную частоту, из двух одинаковых предложенных антенн при противофа зной запит ке может быт ь составлена симметричная многочастотная малогабаритная антенна.

На фиг.4 схематически изображена многочастотная антенна на полосковых линиях.

Многочастотная малогабаритная антенна содержит симметричную полосковую линию, образованную лвумя про! ! водящими наружными обкладк IMH 1 и ( внутренним проводником 2, которая замкнута на конце короткозамыкателем

3, изолятор 4, соединяющий нижний конец линии с противовесом 5, (Н = 1,2,3...) антенных элементов 6, расположенных в N этажей на изолированных внешних поверхностях наружных обкладок 1, коаксиальную линию питания 7, соединенную с блоком согласования 8, общая шина 9 которого соединена с противовесом 5, а потенциальная шина 10 — с входом 11 первого антен3р ного элемента, выход 12 которого соединен с входом 11 второго антенного элемента, а егo выход 12 - с входом

11 последующего антенного элемента.

Выход 12 последнего элемента соединен с короткозамыкателем 3. Начало внутреннего проводника 2 соединено через регулируемый реактивный элемент 16 с противовесом 5.

Каждый антенный элемент 6 сорер40 жит n (n = 1,3,5...) дискретных, расположенных параллельно сегментов 13, выполненных в виде несимметричных

I полосковых линий. Начало дорожки 14 первого сегмента соединено с входом

4 11 антенного элемента 6, а его конец

I соединен с началом подложки 15 второго сегмента. Конец подложки 15

I первого сегмента соединен с началоМ дорожки 14 второго сегмента, конец

5р дорожки 14 второго сегмента соеди( нен с началом подложки третьего rer— мента, конец подложки 15 второго сегмента соединен с началом дорожки

14 (третьего сегмента и т.д. Конец дорожки 14 последнего сегмента сое-! динен с выходом 12 антенного элемента. Сегменты, расположенные на первой наружной обкладке 3 симметричной линии, соединены с сегментами, рас1 705928

14 формула изобретения

Многочастотная малогабаритна тенна, содержащая N (N = 1,2,3. расположенных над противовесом, диненных последовательно антенн элементов, выполненных кажлый в коаксиальной линии, разделенной и (и = 1,2,3...) дискретных, ра ! я ан30 спеых виде на споло

35 положенными í1 второй обклалке 3 с помощью внешних перемычек 17.

Антенна, реализованная на полосковых линиях, работает аналогично

5 описанной выше антенне, выполненной на коаксиальных линиях. В ней обкладки выполняют роль трубы а поло\ ) сковые линии, образованные дорожкаt I ми 1÷ и подложками 15, - роль сег- 1ð ментов.

Техническая эффективнос т ь предложенного устройства пп сравнению с прототипом состоит в формировании всенаправленной в азимутальной плоскости диаграммы направленного при повышении Kflfl. Важным преимуществом предложенной антенны по сравнению с прототипом является использование оптимально связанной трубы с антеннь ми элементами, обпадающей высоким коэф1 фициентом полезного лействия, что позволяет использовать предложенную антенну при длине сегментов значительно меньших pflHH волны. ?5 женных параллельно сегментов, причем внутренний проводник одного соединен последовательно с внешним проводником соседнего сегмента, а его внешний проводник - с внутренним проводником соседнего сегмента, образуя последовательное соединение сегментов, коаксиальную линию питания, соелиненную с блоком согласования, один выходной контакт которого соединен с противовесом, а второй — с внутренним, проводником первого антенного элемента, отличающаяся тем, что, с целью формирования всенаправленной в азимутальной плоскости диаграммы направленности при повышении КП71, антенные элементы расположены в N этажей из изолированной внешней поверхности первой проволящей трубы высотой Н с 0,25 )1 „ 1 где Ъ | „к — минимальная длина волны рабочего лиапазона, внутри которой коаксиально расположена вторая проводящая труба, верхний конец которой соединен подвижным дисковым короткозамыкатегем с внутренней поверхностью первой проводящей трубы, а нижний конец, установленный на изоляторе, соединен с противовесом через регулируемый реактивный элемент, причем внутренний проводник последнего сегмента последнего антенного элемента соединен с первой проводящей трубой, E 705928

Фгl

С ос та яи тел ь Ж. Козырева техред М.Моргентал. Корректор Л. Пилипенко

Редактор М.11иткина

Яака 3 199 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113935, Москва, Ж-35, Раушская наб., д ° 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент", r.Óæãîðoä, ул.Гагарина, 1Î!