Диапазонная направленная антенна

 

Изобретение относится к области антенной техники и предназначено для использования в радиотехнических системах различного назначения в качестве самостоятельной антенны, либо излучателя сложных антенных систем. Техническим результатом изобретения является стабилизация ширины диаграммы направленности в рабочей полосе частот. Диапазонная направленная антенна содержит плоский экран-рефлектор и металлическое зигзагообразное излучающее полотно, вырожденное в кольцо, заполненное двумя металлическими секторами с точками питания в их вершинах и с вырезами в форме части сегментов, образованных дугами радиуса R = 0,18λ_макс и хордами, проходящими на расстоянии l = 0,15λ_макс от точек питания, а боковые поверхности одного металлического сектора соединены с зеркальными, относительно них, боковыми поверхностями другого металлического сектора сопротивлениями величиной (100-200) Ом в точках, находящихся на расстоянии l = 0,15λ_макс от точек питания. Перед металлическим зигзагообразным излучающим полотном на расстоянии d = 0,06λ_макс вдоль оси, проходящей через точки питания металлического зигзагообразного излучающего полотна, симметрично относительно его геометрического центра установлен узкий ленточный проводник шириной S = (0,03-0,05)λ_макс и длиной P = 0,25λ_макс, где λ_макс - максимальная длина волны рабочего диапазона. 4 ил.

Диапазонная направленная антенна относится к антенной технике и может быть использована в радиотехнических системах различного назначения в качестве широкополосной малогабаритной самостоятельной антенны, либо широкополосного излучателя сложных антенных систем.

Известны антенные устройства, используемые в качестве широкополосного облучателя зеркальной антенны [1, 2, 3]. Существенным недостатком этих систем является уменьшение ширины диаграммы направленности с ростом рабочей частоты, и, как следствие, снижение энергетического потенциала антенной системы в целом в области верхних частот из-за недооблучения зеркала, а также неидентичность ширины диаграммы направленности в ортогональных плоскостях.

Наиболее близкой по технической сущности к заявленному изобретению является диапазонная направленная антенна [4], которая содержит металлическое зигзагообразное излучающее полотно, вырожденное в кольцо, заполненное двумя металлическими секторами с точками питания в их вершинах и плоский экран-рефлектор. В металлических секторах выполнены вырезы в форме части сегментов, образованных дугами радиуса R = 0,18λ_макс и хордами, проходящими на расстоянии l = 0,15λ_макс от точек питания, а боковые поверхности одного металлического сектора соединены с зеркальными, относительно них, боковыми поверхностями другого металлического сектора сопротивлениями R= 100-200 Ом в точках, находящихся на расстоянии l = 0,15λ_макс от точек питания, где λ_макс- максимальная длина волны рабочего диапазона.

В этой диапазонной направленной антенне обеспечивается идентичность ширины диаграммы направленности в ортогональных плоскостях, однако ширина диаграммы направленности также уменьшается с ростом частоты.

Техническая задача изобретения - стабилизация ширины диаграммы направленности в рабочей полосе частот.

Задача достигается тем, что в диапазонную направленную антенну, содержащую плоский экран-рефлектор и металлическое зигзагообразное излучающее полотно, вырожденное в кольцо, заполненное двумя металлическими секторами с точками питания в их вершинах и с вырезами в форме части сегментов, образованных дугами радиуса R = 0,18λ_макс и хордами, проходящими на расстоянии l = 0,15λ_макс от точек питания, а боковые поверхности одного металлического сектора соединены с зеркальными, относительно них, боковыми поверхностями другого металлического сектора сопротивлениями R=100-200 Ом в точках, находящихся на расстоянии l = 0,15λ_макс от точек питания, согласно изобретению введен узкий ленточный проводник шириной s = (0,03-0,05)λ_макс и длиной P = 0,25λ_макс, расположенный перед металлическим зигзагообразным излучающим полотном на расстоянии d = 0,06λ_макс вдоль оси, проходящей через точки питания, симметрично относительно его геометрического центра, где λ_макс - максимальная длинна волны рабочего диапазона.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предложенная диапазонная направленная антенна отличается наличием нового элемента - узким ленточным проводником шириной s = (0,03-0,05)λ_макс и длиной P = 0,25λ_макс, расположенным перед металлическим зигзагообразным излучающим полотном, на расстоянии d = 0,06λ_макс вдоль оси, проходящей через точки питания, симметрично относительно его геометрического центра.

Таким образом, изобретение соответствует критерию изобретения "новизна".

Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области и смежной с ней позволяет сделать вывод, что введенный элемент известен, однако введение его в диапазонную направленную антенну с указанными размерами и связями позволяет обеспечить в рабочем диапазоне частот такое сложение полей от металлического зигзагообразного излучающего полотна и ленточного проводника, при котором угловое распределение амплитуды результирующего поля остается практически постоянным в рабочей полосе частот, т.е. обеспечивается стабилизация ширины диаграммы направленности. Последнее обеспечивает получение положительного эффекта.

Изобретение имеет изобретательский уровень, так как оно для специалиста явным образом не следует из уровня техники.

Изобретение является промышленно применимым, так как оно может быть использовано в различных областях народного хозяйства.

На фиг.1 показан общий вид диапазонной направленной антенны.

На фиг. 2 показано распределение тока на металлическом зигзагообразном излучающем полотне.

На фиг.3 приведена диаграмма направленности диапазонной направленной антенны в плоскости Е.

На фиг.4 приведена диаграмма направленности диапазонной направленной антенны в плоскости Н.

Диапазонная направленная антенна (фиг. 1) включает в себя плоский экран-рефлектор 1, металлическое зигзагообразное излучающее полотно 2, ленточный проводник 3 и кабель питания 4.

Металлическое зигзагообразное излучающее полотно 2 представляет собой металлическое кольцо диаметром D = 0,375λ_макс, заполненное двумя металлическими секторами 5 с точками питания 6 в их вершинах. В металлических секторах 5 выполнены вырезы в форме части сегментов 7, образованных дугами радиуса R = 0,18λ_макс и хордами, проходящими на расстоянии l = 0,15λ_макс от точек питания. Боковые поверхности одного металлического сектора соединены с зеркальными, относительно них, боковыми поверхностями другого металлического сектора сопротивлениями 8 величиной 100-200 Ом.

Ленточный проводник 3 представляет собой узкую металлическую полоску шириной S = (0,03-0,05)λ_макс и длиной P = 0,25λ_макс, расположенную перед металлическим зигзагообразным излучающим полотном 2 на расстоянии d = 0,06λ_макс вдоль оси O-O, проходящей через точки питания 6, симметрично относительно геометрического центра металлического зигзагообразного излучающего полотна 2.

Антенна работает следующим образом.

Питающее напряжение по кабелю питания 4 подводится к точкам питания 6 металлического зигзагообразного излучающего полотна 2 и возбуждает его. Поле металлического зигзагообразного излучающего полотна наводит в ленточном проводнике 3 ток, который отличается по фазе от тока металлического зигзагообразного излучающего полотна 2 на величину kd, где k = 2π/λ - постоянная распространения волны. Ленточный проводник 3 становится источником излучения электромагнитного поля. В результате чего поле в некоторой точке приема представляет суперпозицию полей от металлического зигзагообразного излучающего полотна 2 и ленточного проводника 3. Результирующее поле и диаграмма направленности диапазонной направленной антенны с введенным ленточным проводником зависят от соотношения амплитуд и фаз токов металлического зигзагообразного излучающего полотна 2 и ленточного проводника 3.

В свою очередь соотношение этих параметров зависит от длины ленточного проводника Р, его расстояния до фазового центра диапазонной направленной антенны (расстояние d до металлического зигзагообразного излучающего полотна) и относительного местоположения.

Варьируя значениями Р, d и местоположением ленточного проводника относительно геометрического центра металлического зигзагообразного излучающего полотна, можно подобрать такие их величины, при которых диаграмма направленности антенны будет оставаться практически неизменной в диапазоне рабочих частот.

В подтверждении сказанного рассмотрим диаграмму направленности системы: диапазонная направленная антенна - ленточный проводник. Распределение тока на металлическом зигзагообразном излучающем полотне показано на фиг.2 в виде стрелок. Анализ распределения тока позволяет рассматривать металлическое зигзагообразное излучающее полотно как синфазную систему из двух шлейф-вибраторов Пистолькорса с точками питания ВВ и В'B', расположенных на расстоянии 2l = 0,3λ_макс друг от друга. Токи в проводнике АВ и АВ' противоположны по направлению, поэтому их излучением пренебрегаем. Тогда поле излучения системы диапазонная направленная антенна - ленточный проводник будет описываться выражением: в плоскости Е в плоскости Н: где E(Θ),E(ϕ) - диаграмма направленности в Е и Н плоскостях, соответственно; Θ,ϕ - углы наблюдения в Е и Н плоскостях, соответственно; k - волновое число; 2а - длина шлейф-вибратора Пистолькорса; s - расстояние от металлического зигзагообразного излучающего полотна до рефлектора;
21 - расстояние между шлейф-вибраторами;
2Р - длина ленточного проводника;
d - расстояние от ленточного проводника до металлического зигзагообразного излучающего полотна.

Путем итерационных расчетов диаграммы направленности системы диапазонная направленная антенна - ленточный проводник по выражениям (1), (2) установлено, что наиболее оптимальным с точки зрения стабилизации ширины диаграммы направленности как в Е, так и Н - плоскости является расположение ленточного проводника вдоль оси металлического зигзагообразного излучающего полотна, проходящей через точки питания, симметрично относительно его геометрического центра. При этом длина ленточного проводника P = 0,25λ_макс, а расстояние от него до металлического зигзагообразного излучающего полотна d = 0,06λ_макс.
При P<0,25λ_макс и d = 0,06λ_{макс =} диаграмма направленности в плоскостях Е и Н расширяется с ростом частоты. При P>0,25λ_макс (d = 0,06λ_макс) диаграмма направленности в плоскости Н расширяется с ростом частоты, а в плоскости Е - сужается. С увеличением d (d>0,06λ_макс) диаграмма направленности расширяется с ростом частоты в обеих плоскостях, а при d<0,06λ_макс диаграмма направленности сужается в обеих плоскостях.

Рассчитанные с использованием (1), (2) значения диаграммы направленности при P = 0,25λ_макс и d>0,06λ_макс и оговоренном выше расположении ленточного проводника приведены на фиг. 3, 4, где сплошной линией показана диаграмма направленности на нижней граничной частоте (f_H), а штриховой - на частоте (f_B).

Анализ их свидетельствует о том, что предложенное техническое решение обеспечивает стабилизацию ширины диаграммы направленности диапазонной направленной антенны в двукратной полосе рабочих частот.

Экспериментальные исследования качественно подтвердили полученные теоретические результаты. При этом установлено, что ширина ленточного проводника, варьируемая в пределах s = (0,01-0,05)λ_макс, практически не влияет на диаграмму направленности, но влияет на входное сопротивление диапазонной направленной антенны. Выбор ширины ленточного проводника в пределах s = (0,03-0,05)λ_макс не только не ухудшает согласование диапазонной направленной антенны с питающим 50-Омным фидером, но и улучшает его в области нижних частот. Наилучшее согласование диапазонной направленной антенны с питающим фидером реализуется при ширине ленточного проводника, равной 0,05λ_макс. При этом в двукратной полосе частот различия в ширине диаграммы направленности не превышают 10%, в то время как ширина диаграммы направленности диапазонной направленной антенны-прототипа изменяется практически вдвое.

Предложенное техническое решение позволяет при использовании диапазонной направленной антенны в качестве облучателя зеркальных антенн обеспечить их эффективное облучение в двукратной полосе частот и тем самым повысить энергетический потенциал приемной системы в области верхних частот на 4-5 дБ.

Источники информации
1. Авт. св. N1022242, кл. H 01 Q 1/38, H 01 Q 9/00, от 07.06.1983 г.

2. Авт. св. N1483508, кл. H 01 Q 1/00 от 30.05.1989 г.

3. К. Харченко. УКВ-антенны. - М.: ДОСААФ, 1969, с. 91.

4. Патент РФ N2076407, кл. H 01 Q 19/10, оп. 27.03.1997 г., БИ N3.

Формула изобретения

Диапазонная направленная антенна, содержащая плоский экран-рефлектор и металлическое зигзагообразное излучающее полотно, вырожденное в кольцо, заполненное двумя металлическими секторами с точками питания в их вершинах и с вырезами в форме части сегментов, образованных дугами радиуса R = 0,18λ_макс и хордами, проходящими на расстоянии l = 0,15λ_макс от точек питания, а боковые поверхности одного металлического сектора соединены с зеркальными, относительно них, боковыми поверхностями другого металлического сектора сопротивлениями R=(100-200) Ом в точках, находящихся на расстоянии l = 0,15λ_макс от точек питания, отличающаяся тем, что введен узкий ленточный проводник шириной S = (0,03-0,05)λ_макс и длиной P = 0,25λ_макс, расположенный перед металлическим зигзагообразным излучающим полотном на расстоянии d = 0,06λ_макс вдоль оси, проходящей через точки питания, симметрично относительно его геометрического центра, где λ_макс - максимальная длина волны рабочего диапазона.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4