Ультракоротковолновая антенна

 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности может быть использовано в качестве приемо-передающей широкодиапазонной ненаправленной антенны УКВ диапазона. Техническим результатом является расширение диапазона рабочих частот и повышение вибростойкости. Антенна состоит из трех вертикальных прямоугольных металлических пластин (ПМП) 1, установленных над металлическим экраном (МЭ) 2. ПМП 1 совмещены и электрически соединены большими кромками, а их плоскости образуют углы 120^o. Верхние концы ПМП 1 подключены к круглой металлической горизонтальной пластине (МГП) 3, а нижние - к МЭ 2. МЭ 2 и МГП 3 электрически соединены дополнительными проводниками (ДП) 4. Точки подключения ДП 4 расположены на биссектрисах углов, образованных плоскостями ПМП 1. В каждой ПМП 1 выполнен зазор, к кромкам которого подключен коаксиальный фидер 5. Определены оптимальные соотношения размеров элементов конструкции, при которых достигается двукратное увеличение рабочего диапазона частот. 5 ил.

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенной технике, и, в частности, предлагаемая ультракоротковолновая (УКВ) антенна может быть использована в качестве приемо-передающей ненаправленной антенны, преимущественно для установки на транспортных средствах (автомобиле, железнодорожном транспорте и т.д.).

Известны УКВ антенны, используемые для установки на транспортных средствах, описанные, например, в книге: Гвоздев И.Н. и др. Характеристики антенн радиосистем связи. - Л., ВАС, стр. 211, 212. Известные антенны представляют собой различные варианты несимметричных вибраторов, обладают простой конструкцией и могут использоваться совместно с УКВ маломощными радиостанциями.

Однако известные УКВ антенны обладают ограниченным диапазоном рабочих частот и относительно большими габаритами.

Наиболее близкой по своей технической сущности к заявленной является известная УКВ антенна с реактивными нагрузками по пат. США N 3967276, НКИ 343-725, 29.06.76. Антенна - прототип представляет собой петлевой вибратор с емкостной нагрузкой в виде горизонтальных пластин, подключенных к вершине вибратора через сосредоточенные индуктивные нагрузки. При такой схеме достигается работа антенны в 1,7-кратном диапазоне частот с КСВ ≅ 2.

Однако антенна-прототип обладает рядом недостатков: - небольшим диапазоном рабочих частот по согласованию, что исключает ее применение совместно с современным парком УКВ радиостанцией, работающих в режиме программного переключения рабочих частот (ППРЧ); - сложной конструкцией из-за необходимости включения в схему индуктивных сосредоточенных элементов; - невысокой механической прочностью конструкции из-за необходимости разделения верхней емкостной нагрузки на ряд элементов (сегментов), легко подверженных вибрациям и тряскам, возникающим при движении объекта.

Целью изобретения является разработка УКВ антенны, обеспечивающей широкополосную работу при одновременном достижении требуемой механической прочности и вибростойкости.

Поставленная цель достигается тем, что в известной УКВ антенне, содержащей вертикальный проводник, установленный над металлическим экраном и подключенным к нему основанием, горизонтальную металлическую пластину, расположенную над металлическим экраном и подключенную к вершине вертикального проводника, и коаксиальный фидер, вертикальный проводник выполнен из трех вертикальных прямоугольных пластин высотой H. Высота H каждой пластины составляет не менее 0,07λ_max, где λ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона волн, а ширина B = (0,66...0,77)H. Вертикальные кромки прямоугольных металлических пластин совмещены и электрически соединены, а их плоскости образуют друг с другом углы 120^o. На высоте h = (0,3...0,4)H от основания в каждой вертикальной металлической пластине выполнен зазор, кромки которого образуют угол 8...15^o с вершиной, примыкающей к совмещенным кромкам. Вершины пластин подключены к горизонтальной металлической круглой пластине диаметром D, выбранным в пределах (2,5...3,5)H. Кромки круглой пластины подключены дополнительными вертикальными проводниками к металлическому экрану. Причем точки подключения вертикальных проводников расположены на биссектрисах углов, образованных плоскостями вертикальных прямоугольных металлических пластин. Коаксиальный фидер установлен вдоль примыкающих кромок прямоугольных пластин и подключен у вершины зазора экранной оболочкой к его нижней, а центральным проводником к его верхней кромкам.

Благодаря указанной новой совокупности существенных признаков достигается формирование схемы с вынесенной точкой питания, в которой компенсация реактивностей достигается дополнительно благодаря наличию верхней емкостной нагрузки и короткозамкнутых шунтов.

Анализ известных технических решений аналогичного назначения показал на отсутствие в них новой совокупности существенных признаков заявленного устройства, проявляющих такие же свойства, какие приобрел от их использования заявленный объект. Отмеченное указывает на соответствие заявленного устройства критерию "изобретательский уровень".

Заявленная антенна поясняется чертежами, на которых на фиг. 1 показан общий вид устройства; на фиг. 2 - вид сверху и сбоку, на фиг. 3 - схема, поясняющая принцип работы антенны; на фиг. 4, 5 - результаты экспериментальных исследований.

УКВ антенна, показанная на фиг. 1, состоит из трех прямоугольных металлических пластин (ПМП) 1 высотой H и шириной B каждая, установленных вертикально над металлическим экраном (МЭ) 2 и подключенных кондуктивно к нему основаниями, ПМП 1 совмещены большими кромками и электрически соединены, а плоскости ПМП образуют друг с другом угол 120^o (см. фиг. 2а). На высоте h от экрана в каждой ПМП 1 выполнен зазор. Причем нижняя кромка зазора в каждой ПМП 1 параллельна плоскости МЭ 2, а верхняя кромка образует с нижней угол α. К вершинам ПМП 1 подключена круглая металлическая горизонтальная пластина (МГП) 3 диаметром D. Кромка круглой МГП 3 с помощью дополнительных вертикальных проводников (ДП) 4 диаметром d электрически подключены к МЭ 2. Причем точки подключения "с" проводников 4 к МЭ 2 расположены на биссектрисах углов, образованных плоскостями ПМП 1 (см. фиг. 2а). Коаксиальный фидер 5 уложен от МЭ 2 вдоль примыкающих кромок ПМП 1 и подключен у зазора пластин: экранной оболочкой к нижней кромке зазора (точка "б"), а центральным проводником - к верхней (точка "а"). Кроме того, экранная оболочка фидера 5 кондуктивно связана с экраном (точка "к"), см. также фиг. 2б.

Заявленная антенна работает следующим образом. При выбранной схеме подключения коаксиального фидера 5 ЭДС подводится к зазору ПМП 1, что, с учетом подключения оснований ПМП 1 к МЭ 2, эквивалентно схеме вибратора с вынесенной точкой питания. Одновременно ДП 4, подключенные к круглой МГП 3, образуют петлевой вибратор с верхней емкостной нагрузкой. Таким образом, эквивалентная схема заявленной антенны (с учетом зеркального отображения) может быть представлена, как показано на фиг. 3. Из приведенной схемы следует, что возможность расширения диапазона в область низких частот достигается оптимальным выбором "выноса" точек возбуждения, соотношением эквивалентных диаметров ПМП 1 и ДП 4 (т.е. выбором коэффициента трансформации N), а также выбором размеров круглой МГП 3. Причем последняя выполняет одновременно как роль верхней емкостной нагрузки, так и роль элемента петлевого вибратора. Дополнительное улучшение качества согласования достигается путем выбора формы зазора, при котором в наименьшей мере сказывается шунтирующее действие торцевой емкости зазора. Взаимное размещение ПМП 1 и ДП 4, а также их число выбраны из условия сохранения в максимально возможном диапазоне неискаженной формы диаграммы направленности (ДН).

Окончательная проверка возможности достижения поставленной цели и определение оптимальных соотношений размеров элементов конструкции устройства выполнены в процессе экспериментальных исследований. В результате исследований установлено, что наибольшее расширение диапазона в область низких частот (при КВС ≅ 2) реализуется при следующих соотношениях: Hλ_max≥0,07; В/H = 0,77. . . 0,66; h/H = 0,3...0,4; d/D = (4...6)10^-3; α = 8-15°. Число прямоугольных пластин и вертикальных проводников по 3.

Опытный образец, выполненный для работы, начиная с λ_max= 1,2 м, имел следующие размеры (в мм): H= 8,5; B = 60; D= 260; h = 29,75; d = 1,4; α = 10°. На фиг. 4, 5 представлены результаты измерения качества согласования (КСВ) заявленной антенны и прототипа и диаграмм направленности заявленной антенны. Высота антенны-прототипа выбрана равной высоте заявленной антенны. Полученные результаты подтвердили возможность расширения диапазона рабочих частот более чем в 2 раза или снижения в 2 раза высоты излучателя в случае работы сравниваемых антенн, начиная с одной максимальной длины волны. Показанные на фиг. 5 ДН заявленной антенны подтверждают возможность работы практически в 4-кратном диапазоне частот без заметного нарушения равномерности азимутальной ДН.

Размеры антенны при учете крайних значений указанных выше соотношений будут иметь следующие величины: - при минимальном значении: H=85; B=56; D=213; h=25,5; d=0,85 α = 8°. - при максимальном значении: H=85; B=65; D=297; h=34; d=1,78; α = 15°. Оптимальными являются размеры, указанные выше для опытного образца.

От использования заявленной антенны в сравнении с прототипом можно ожидать следующих технических преимуществ: - расширение рабочего диапазона частот по согласованию более чем в два раза; - уменьшения высоты излучателя, в случае работы заявленной антенны и прототипа, начиная с одной минимальной частоты;
- упрощения конструкции устройства ввиду исключения из схемы сосредоточенных индуктивных элементов;
- повышения вибростойкости и жесткости конструкции.

Перечисленные технические преимущества позволяют повысить устойчивость работы радиоканала в линиях подвижной радиосвязи совместно с современным парком радиосредств, работающих в режиме ППРЧ.

Формула изобретения

Ультракоротковолновая антенна, содержащая вертикальный проводник, установленный над металлическим экраном и подключенный к нему основанием, горизонтальную металлическую пластину, расположенную над металлическим экраном и присоединенную к верхнему концу проводника, и коаксиальный фидер, отличающаяся тем, что проводник выполнен из трех вертикальных прямоугольных металлических пластин высотой Н, составляющей не менее 0,07 от максимальной длины волны рабочего диапазона волн и шириной В = (0,66 - 0,77)Н, вертикальные кромки прямоугольных металлических пластин совмещены и электрически соединены, а их плоскости образуют одна с другой углы 120^o, при этом на высоте h = (0,3 - 0,4)Н в каждой металлической вертикальной пластине выполнен зазор, кромки которого образуют угол α = 8-15° с вершиной, примыкающей к совмещенным вертикальным кромкам вертикальных металлических пластин, причем коаксиальный фидер у вершины зазора подключен центральным проводником к его верхней, а экранной оболочкой - к его нижней кромкам, горизонтальная металлическая пластина выполнена в форме диска диаметром D = (2,5 - 3,5)Н, и введены дополнительные вертикальные проводники, расположенные на биссектрисах углов, образованных плоскостями вертикальных прямоугольных металлических пластин, электрически присоединенные к кромкам диска и металлическому экрану.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5