Директорная антенна

 

Изобретение относится к антенной технике. Технический результат заключается в упрощении настройки антенны за счет раздельной регулировки диаграммы направленности и коэффициента бегущей волны (КБВ) и расширения рабочей полосы частот. Сущность изобретения состоит в том, что согласующее устройство выполнено в виде коаксиального трансформатора с центральным проводником из последовательно соединенных стержней различного диаметра и длины, размещенных во внутренней полости симметрирующего устройства щелевого типа. Приведены соотношения для определения размеров элементов согласующего устройства для директорной антенны с тремя директорами. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Предлагаемая широкополосная директорная антенна предназначена для использования в качестве элемента приемо-передающих антенных решеток или в качестве автономного излучателя.

Директорные антенны, рассматриваемые в литературе [1-5], имеют узкую полосу (рабочая полоса частот при допустимом изменении коэффициента направленного действия, уровня заднего лепестка, коэффициента бегущей волны КБВ) в связи с тем, что регулировка и настройка системы с пассивными директорами критична к изменению местоположения и длины каждого директора.

Расширение полосы частот по параметрам ДН и КБВ в директорных антеннах достигается введением компенсирующих шлейфов в активный вибратор, директоры [6], подбором соотношений между длинами и диаметрами излучающих элементов, их поперечного сечения [7]. Однако общая настройка директорной антенны оказывается очень трудоемкой, так как изменение длины и положения одного из директоров ведет к изменению амплитуд и фаз во всех директорах, активном вибраторе, рефлекторе, что приводит одновременно к изменению согласования антенны в полосе частот и изменению ДН.

Поэтому практически не удается получить директорную антенну, имеющую достаточно широкую полосу δf≥±10% с высоким значением КБВ (КБВ≥70%) при заданных требованиях к ДН. Так, директорные антенны с различной конструкцией активных вибраторов в полосе рабочих частот ±10% f_ср. имеют КБВ меньше 50% [1, 4]. Особенно усложняется вопрос настройки директорных антенн в составе антенной решетки (АР) из-за рассогласования излучателей, обусловленного взаимодействием по полю излучения и по системе питания. В АР одновременно с рассогласованием значительно ухудшаются параметры ДН директорной антенны. Например, значительно возрастает уровень заднего лепестка ДН.

Из известных директорных антенн наиболее близкой по технической сущности к заявленной является директорная антенна (прототип) с активным вибратором и директорами, имеющими компенсирующие шлейфы.

В активном вибраторе и директорах такой антенны параллельно излучающей петле и директорам подключаются короткозамкнутые шлейфы, выполненные в виде двух четвертьволновых металлических трубок. Шлейф снабжают короткозамыкателем, осуществляющим электрический контакт между его проводниками в заданном сечении. Короткозамыкатель выполняют так, чтобы была возможность сдвигать его в любое место шлейфа.

Шунтирующие шлейфы компенсируют реактивные составляющие входных импедансов, расширяя полосу согласования в диапазоне частот.

К недостаткам директорной антенны с активным вибратором и директорами, имеющими короткозамкнутые шлейфы, следует отнести:

взаимную связь регулировки согласования и параметров ДН [6];

большое количество взаимосвязанных элементов регулировки, повышающих трудоемкость настройки [6].

При регулировке директорной антенны с помощью шлейфов, введенных в активный вибратор, и директора одновременно с ДН необходимо контролировать КБВ антенны. Такая регулировка выполняется при каждом изменении длины любого из шлейфов, так как изменение тока на каком-нибудь директоре или активном вибраторе приводит к изменению токов на других излучающих элементах, то есть к изменению входного импеданса антенны.

Следует отметить, что при изменении длины одного из шлейфов (для получения требуемых параметров) необходимо менять длины всех шлейфов.

Целью предлагаемого изобретения является упрощение настройки директорной антенны в полосе рабочих частот за счет раздельной регулировки согласования и параметров ДН, расширение полосы рабочих частот (более 20%) с высоким согласованием в ней (КБВ>70%) при требуемых параметрах ДН.

Поставленная цель достигнута тем, что в известной директорной антенне, взятой за прототип, содержащей излучающую часть и согласующее устройство, согласующее устройство образовано набором подвижных последовательно соединенных стержней различного диаметра и длины и внутренней поверхностью трубы щелевого симметрирующего устройства, в которой установлен упомянутый набор стержней.

Применение в директорной антенне активного вибратора с подстроечным элементом в виде стержня ступенчатой формы дает новый положительный эффект - упрощение настройки за счет раздельной регулировки согласования (КБВ) и параметров ДН.

При этом согласование антенны с фидером осуществляется при значительных отличиях их входных сопротивлений.

Изложенная сущность будет понятна из нижеследующего описания и приведенных чертежей.

На фиг.1 приведена директорная антенна с активным вибратором и директорами, содержащими шунтирующие шлейфы.

На фиг.2 приведена конструкция предлагаемой директорной антенны.

На фиг.3 приведена конструкция согласующего симметрирующего устройства предлагаемой антенны.

На фиг.4 приведена конструкция подстроечного стержня.

На фиг.1, 2, 3, 4 введены следующие обозначения:

1 - активный вибратор;

2-3 - директоры;

4 - рефлектор;

5 - корпус симметрирующего согласующего устройства;

6 - подстроечный стержень;

7 - замыкатель;

8 - излучающая труба;

9 - ВЧ-разъем;

10 - щелевая труба;

11 - изолятор;

12 - фидер;

13-15 - шлейфы с короткозамыкателями;

Ф - внутренний диаметр трубы щелевого симметрирующего устройства;

Ф_i - диаметр i-ой ступеньки внутреннего стержня;

в_i - длина i-ой ступеньки внутреннего стержня.

На фиг.5 показана зависимость КСВ (Кст) от нормированной частоты (f/f_c) для предлагаемой директорной антенны, приведенной на фиг.2.

Предлагаемая антенная включает в себя (см. фиг.2, 3) петлевой активный вибратор 1, два директора 2, 3, рефлектор 4 и симметрирующее согласующее устройство 5, состоящее из коаксиальной линии. Конструктивно симметрирующее согласующее устройство размещено между активным вибратором и рефлектором.

Внутренний проводник 6 коаксиальной линии представляет собой стержень с переменным по длине диаметром (см. фиг.4), а внешний - трубу с щелью.

Стержень 6 соединен с помощью замыкателя 7 с одной половиной трубы симметрирующего устройства. Каждая половина трубы симметрирующего устройства подсоединена к излучающей петле 1.

Корпус антенны представляет единую конструкцию, состоящую из корпуса симметрирующего устройства 5 и из излучающей трубы 8.

На торце корпуса симметрирующего устройства установлен ВЧ-разъем 9.

Принцип работы предлагаемой директорной антенны заключается в следующем. Симметричное противофазное питание плеч активного вибратора 1 осуществляется за счет подключения излучающей петли 1 к различным половинам трубы симметрирующего устройства. Согласование 75-омного коаксиального фидера с активным вибратором в широкой полосе частот обеспечивается за счет ступенчатого трансформатора, который образуется трубой симметрирующего устройства и внутренним трехступенчатым стержнем 6, образованного из набора последовательно соединенных подвижных кольцеобразных насадок.

Для получения заданной направленности в состав директорной антенны введены два директора 2, 3 и рефлектор 4.

Раздельная регулировка директорной антенны заключается в следующем. Подбирая расстояния между элементами антенны и их длину добиваются заданных параметров диаграммы направленности. Затем, используя регулируемое симметрирующее и согласующее устройство (кольцеобразные подвижные насадки, образующие центральный стержень), добиваются широкополосного согласования антенны с 75-омным коаксиальным фидером.

При этом ДН антенны сохраняется первоначальной. Настройка производится как изменением длин (в₁, в₂, в₃ ), так и диаметров (Ф₁, Ф₂, Ф₃ ) центрального стержня 6 [9]. При этом основные размеры трансформатора определяются из следующих соотношений:

Ф_i=a _iФ,

в_i=К_iλ₀,

где Ф_i - диаметр i-го внутреннего стержня;

Ф - внутренний диаметр трубы целевого симметрирующего устройства;

в_i - длина i-го внутреннего стержня;

λ₀ - средняя длина волны диапазона рабочих частот;

i - порядковый номер ступени стержня;

a_i, К_i - коэффициенты пропорциональности, полученные экспериментально и равные:

a₁=0,359; a₂=0,415; a ₃=0,289

К₁=0,163; К₂=0,087; К₃=0,045.

Из графика, приведенного на фиг.5, следует, что полоса частот при значениях КСВ<1,4 (КБВ>70%) составляет 20% для предложенной антенны.

Применение предлагаемого изобретения позволяет значительно улучшить характеристики директорной антенны:

обеспечить простую настройку и быструю подстройку рассогласования антенны из-за взаимовлияния, особенно в составе антенных решеток;

расширить полосу рабочих частот антенны;

обеспечить высокое согласование во всей полосе рабочих частот при заданных параметрах ДН;

обеспечить высокое симметрирование питания антенны в полосе частот.

Все эти преимущества становятся особенно важными при массовом изготовлении данных директорных антенн для использования в больших антенных решетках.

Литература

1. Г.Т.Марков, Д.М.Сазонов. "Антенны", "Энергия", М., 1975, с.406-415.

2. А.З.Фрадин. "Антенно-фидерные устройства", "Связь", М., 1977, C.193-198.

3. А.Л.Драбкин, В.Л.Зузенко. "Антенно-фидерные устройства", "Сов.Радио", М., 1961, с.325-338.

4. К.П.Харченко "УКВ-антенны", изд. ДОСААФ, М., 1969, с.47-70.

5. Г.З.Айзенберг, В.Г.Ямпольский, О.Н.Терешин. "Антенны УКВ", "Связь", 1977, с.212-221.

6. К.П.Харченко. "Настройка KB антенны волновой канал", "Радио", №7-8, 1981, с.19-21.

7. Л.М.Капчинский. "Телевизионные антенны", "Энергия", М., 1970, с.59-81.

8. Л.М.Кузинец и др. "Телевизионные приемники и антенны", "Связь", М., 1974, с.589-611.

9. Антонов В.А. и др. Авторское свидетельство №183487.

Формула изобретения

1. Директорная антенна, содержащая активный вибратор, директоры, рефлектор, согласующее и симметрирующее устройства, отличающаяся тем, что, с целью упрощения настройки антенны за счет раздельной регулировки диаграммы направленности и КБВ и расширения рабочей полосы частот, согласующее устройство выполнено в виде коаксиального трансформатора с центральным проводником из последовательно соединенных стержней различного диаметра и длины, размещенных во внутренней полости симметрирующего устройства щелевого типа.

2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что размеры элементов согласующего устройства для директорной антенны с тремя директорами выбраны из соотношений

D_i=a_iD; b_i =k_iλ₀,

где D_i - диаметр i-го внутреннего стержня;

D - внутренний диаметр трубы щелевого симметрирующего устройства;

b_i - длина i-го внутреннего стержня;

λ₀ - средняя рабочая длина волны;

i - порядковый номер ступени стержня;

a_i, k_i - коэффициенты пропорциональности, равные

a₁=0,359, a₂ =0,415, a₃=0,289;

k₁=0,163, k ₂=0,087 k₃=0,045.

РИСУНКИ