Многочастотная низкопрофильная антенна

 

Изобретение относится к антенным устройствам и может быть использовано в радиотехнических системах метрового и дециметрового диапазонов длин волн. Техническим результатом является создание низкопрофильной антенны, эффективно работающей одновременно в нескольких частотных поддиапазонах. Сущность изобретения заключается в том, что антенна содержит установленный над противовесом на изоляторе короткий вертикальный вибратор, высотой, меньшей 0,1 средней длины волны рабочего диапазона, и плоский проводящий диск, соединенный через первый двухполюсник с верхним концом вибратора. Входное сопротивление этого двухполюсника описывается функцией, содержащей N (N=1,2,3...) полюсов(нулей). Второй двухполюсник является индуктивностью, которая соединяет нижний конец короткого вертикального вибратора и потенциальную шину антенны с противовесом. Дано соотношение между параметрами двухполюсников и короткого вертикального вибратора. 4 ил.

Изобретение относится к антенным устройствам и может быть использовано в радиотехнических системах метрового и дециметрового диапазонов длин волн, там, где требуются низкопрофильные антенны, в частности в подвижных системах радиосвязи.

Известна малогабаритная антенна (Пат. США 4652888 МКИ Кл.⁵ Н 01 Q 11/14, опубл. 24.03.87 г.), содержащая несколько рамочных элементов, установленных по окружности над противовесом. Каждый элемент известной антенны состоит из двух частей рамки: одна часть открыта, а вторая - размещена в трубе таким образом, что на поверхности трубы возбуждается ток, синфазный с током первой части. На входе первой рамки включены два конденсатора переменной емкости. Один - последовательно с питающим фидером, а второй - параллельно. Выход последнего рамочного элемента соединен с противовесом. Остальные входы и выходы элементов соединены с соответствующими группами контактов реле так, чтобы обеспечить различные варианты последовательно-параллельного соединения элементов. Управление реле осуществляется управляющим блоком таким образом, чтобы антенна была настроена на требуемую частоту.

Известное устройство не может эффективно работать одновременно в нескольких частотных поддиапазонах, что не позволяет использовать его при многочастотном приеме. Кроме этого, наличие большого числа коммутационных элементов существенно снижает надежность устройства.

Все это ограничивает область его применения.

Известная низкопрофильная широкополосная антенна с дисковой нагрузкой (Пат. США 4635068 МКИ Н 01 Q 9/38, опубл. 06.01.87 г.) представляет собой нагруженный диском толстый короткий вертикальный вибратор с запиткой на уровне половины высоты, имеющий два индуктивных шунта и один емкостной. Короткий вертикальный вибратор состоит из двух одинаковых цилиндров, переходящих в конусы с вершинами в точке запитки. Емкостной шунт обеспечивает связь между ними. Индуктивные шунты и диск обеспечивают необходимую реактивную нагрузку вибратора на центральной частоте рабочего диапазона. Эта антенна эффективно работает в одном частотном диапазоне.

Наиболее близким аналогом по технической сущности (прототипом) заявляемого устройства является низкопрофильная широкодиапазонная антенна, в которой используются согласующие двухполюсники с потерями (Пат. США 4328501 МКИ Н 01 Q 09/36, опубл. 04.05.82 г.). Она содержит проводящий диск, соединенный через нерезонансный двухполюсник с потерями с верхним концом короткого вертикального вибратора высотой, меньшей 0,1, длины волны рабочего диапазона. Антенна запитывается через согласующее устройство представляющее собой четырехполюсник. Он состоит из параллельного контура, включенного параллельно входу антенны, двухполюсника, образованного параллельным соединением резистора и индуктивности и подключенного одним концом к нижнему концу короткого вертикального вибратора, а вторым концом с помощью отрезка коаксиального кабеля - к входу антенны. Длина этого отрезка равна четверти средней длины волны рабочего диапазона и обеспечивает дополнительную узкополосную трансформацию входного сопротивления короткого вертикального вибратора. Антенна имеет малую высоту, а наличие диска делает распределение тока вдоль короткого вертикального вибратора более равномерным.

В известной антенне для согласования используются L, С, R схемы и узкополосный трансформатор, представляющий собой отрезок коаксиального кабеля длиной около четверти средней длины волны рабочего диапазона, которые позволяют согласовать антенну в широком диапазоне частот с перекрытием до 3:1. Однако, в связи с тем, что короткий вертикальный вибратор высотой, меньшей 0,1 длины волны, имеет активную составляющую входного сопротивления меньше 16 Ом, включение в антенну резисторов приводит к снижению ее эффективности. Как подчеркивает автор известной антенны, для получения высокой эффективности требуется набор переключаемых согласующих устройств в зависимости от рабочей частоты. Таким образом, известная антенна не может эффективно работать одновременно в нескольких частотных поддиапазонах.

В основу предлагаемого изобретения поставлена задача создать многочастотную низкопрофильную антенну с высокой эффективностью, одновременно работающую в нескольких частотных поддиапазонах.

Поставленная задача решается следующим образом. В многочастотной низкопрофильной антенне, содержащей короткий вертикальный вибратор высотой, меньшей 0,1 длины волны, проводящий диск и два двухполюсника, первый из которых соединяет верхний конец короткого вертикального вибратора с проводящим диском, а второй двухполюсник подключен к нижнему концу короткого вертикального вибратора, дополнительно к этому первый двухполюсник не содержит потерь и выполнен таким образом, что его входное сопротивление описывается функцией частоты, имеющей N(N=1,2,3...) полюсов(нулей), а второй двухполюсник является индуктивностью, которая соединяет нижний конец короткого вертикального вибратора и потенциальную шину антенны с противовесом, что обеспечивает одновременную работу антенны с высокой эффективностью в нескольких частотных поддиапазонах. Для реализации заданной сетки частот параметры первого и второго двухполюсников связаны с параметрами короткого вертикального вибратора на центральной частоте f_i(i=1,2,3...) каждого из поддиапазонов следующим соотношением: (X_H+X_C)[X_L+X_C+X_O(1-R_A/R_i)]-X_C ²=0, где Х_H - сопротивление первого двухполюсника и диска относительно противовеса, Х_О - реактивное сопротивление основания антенны с учетом подключенного к нижнему концу короткого вертикального вибратора второго двухполюсника; X_C=-f₀ρ/f_i; X_L=f_iρ/f₀, где ρ - волновое сопротивление короткого вертикального вибратора, f₀ - собственная резонансная частота короткого вертикального вибратора, R_А - суммарное сопротивление излучения и потерь в антенне, R_i - внутреннее сопротивление генератора.

На фиг.1 изображена функциональная схема многочастотной низкопрофильной антенны. На фиг. 2 представлена эквивалентная электрическая схема многогочастотной низкопрофильной антенны. На фиг.3 изображен пример реализации четырехчастотной низкопрофильной антенны дециметрового диапазона волн, которая соответствует формуле изобретения. На фиг.4 изображен пример реализации первого двухполюсника четырехчастотной низкопрофильной антенны дециметрового диапазона волн, приведенной на фиг.3.

Многочастотная низкопрофильная антенна, фиг.1, содержит короткий вертикальный вибратор 1, высотой, меньшей 0,1 длины волны, и проводящий диск 2. Верхний конец корокого вертикального вибратора 1 соединен с проводящим диском 2 через первый двухполюсник 3. Нижний конец короткого вертикального вибратора 1 соединен с потенциальной шиной 4 входа антенны и с одним концом второго двухполюсника - индуктивности 5, второй конец которой соединен с противовесом 6. Антенна запитывается через коаксиальный соединитель 7.

Предложенная антенна работает следующим образом.

Она запитывается через коаксиальный соединитель 7, потенциальная шина которого соединяется с потенциальной шиной 4 входа антенны. К верхнему концу короткого вертикального вибратора 1 через входное сопротивление первого двухполюсника 3 подключается емкостная нагрузка в виде проводящего диска 2. Входное сопротивление первого двухполюсника 3 описывается функцией частоты, имеющей N полюсов(нулей) и обеспечивает такое значение реактивного входного сопртивления на центральных частотах поддиапазонов, которое позволяет реализовать многорезонансную антенну. Индуктивность 5, включенная между нижним концом короткого вертикального вибратора 1, потенциальной шиной входа антенны 4 и противовесом 6, обеспечивает индуктивную связь между линией запитки и коротким вертикальным вибратором 1. Параметры элементов антенны выбираются из требования минимизации коэффициента отражения между линией запитки и входным сопротивлением антенны на центральных частотах поддиапазонов.

Работу многочастотной низкопрофильной антенны удобно рассматривать на основе анализа эквивалентной электрической схемы, представленной на фиг.2. Схема представлет собой параллельный колебательный контур. Генератор G с внутренним сопротивлением R_i соединен с входом антенны линией питания с волновым сопротивлением W= R_i. Между генератором и вибраторной цепью введена индуктивная связь, реализованная индуктивным сопротивлением Х_B, включенным между нижним концом короткого вертикального вибратора и противовесом. Так как высота короткого вертикального вибратора ниже 0,1 длины волны, то его эквивалентную схему можно представить последовательным контуром, где R_a - сопроивление излучения, а X_L и Х_C - индуктивное и емкостное сопротивления, соответственно. Кроме этого, в эквивалентной электрической схеме антенны параллельно Х_C через входное сопротивление Х_d первого двухполюсника включено емкостное сопротивление собственной емкости диска X_D на заземленный противовес.

Входное сопротивление антенны можно записать в виде Z_BX=n²R_A+j(X_O-n²X_И),
где n = |X_O/(R_A+jX_И)| - коэффициент трансформации,
X_И=X_О+X_L+X_HX_C(X_H+X_C).

Условие согласования Z_ВХ=R_i запишется в виде
n²R_A=R_i,
X_О-n²X_И=0.

В этом случае R_i/R_A=X_О/Х_И и согласование можно достичь при Х_О>R_iR_A. Так как R_А определяется геометрией короткого вертиканого вибратора, a _i - генератором(приемником), то условие согласования можно выполнить регулировкой X_O и Х_H. При согласовании эти реактивные сопротивления связаны соотношением
(Х_H+Х_C)[Х_L+Х_C+X_O(1-R_A/R_i)]-X_2C=0.

При выбранных сопротивлениях Х_O и X_D входное сопротивление реактивного двухполюсника должно удовлетворять следующему соотношению:

Таким образом, при выбранных значениях параметров Х_O, X_d и геометрии короткого вертикального вибратора, подбирая значение X_d на центральной частоте каждого из поддиапазонов, можно обеспечить на этих частотах согласование генератора с входным сопротивлением антенны, что позволяет реализовать максимальную эффективность излучения.

Как пример конкретной реализации, рассмотрим многочастотную низкопрофильную антенну дециметрового диапазона волн, выполненную по формуле изобретения на четыре поддиапазона с центральными частотами 285, 330, 380 и 420 МГц.

Общий вид антенны изображен на фиг.3. Она содержит короткий вертикальный вибратор 1 высотой 30 мм и проводящий диск 2 диаметром 150 мм. Верхний конец короткого вертикального вибратора 1 и проводящий диск 2 соединены через зажимы двухполюсника 3, реализованного реактивной лестничной цепью. Нижний конец короткого вертикального вибратора 1 соединен с потенциальной шиной 4 входа антенны и с одним концом индуктивности 5, второй конец которой соединен с противовесом 6. Антенна запитывается через коаксиальный соединитель 7.

Индуктивность 5, соединяющая нижний конец короткого вертикального вибратора 1 и потенциальную шину входа антенны 4 с противовесом 6, выполнена в виде короткозамкнутой полосковой линии на фольгированном диэлектрике ФЛАН-2,0 с ∈=2,8.

Общий вид реактивной лестничной цепи 3 представлен на фиг.4. Входное сопротивление этой цепи синтезировано исходя из условия одновременного согласования входного сопротивления антенны на четырех центральных частотах поддиапазонов. Реактивная лестничная цепь 3 выполнена из отрезков полосковой линии с волновым сопротивлением 20 Ом, играющих роль индуктивностей, и сосредоточенных емкостей. Отрезки линии и емкости смонтированы на фольгированном диэлектрике ФЛАН-2,0 с ∈=2,8. Нижняя поверхность фольгированного диэлектрика обращена к противовесу 6 и выполняет роль проводящего диска 2 (см. фиг.3). Экспериментальные исследования показали, что на центральных частотах поддиапазонов модуль коэффициента отражения не превышает 0,1, а минимальный коэффициент усиления антенны, при высоте короткого вертикального вибратора, меньшей 0,03 максимальной длины волны, превышает 2,5.

Техническая эффективность предложенной антенны по сравнению с прототипом заключается в возможности эффективной работы одновременно в нескольких частотных поддиапазонах, что обеспечивается первым двухполюсником, соединяющим верхний конец короткого вертикального вибратора с проводящим диском, выполненным таким образом, что он не содержит потерь, а его входное сопротивление описывается функцией частоты, имеющей N(N=1,2,3...) полюсов(нулей), и вторым двухполюсником, который является индуктивностью, соединяющей нижний конец короткого вертикального вибратора и потенциальную шину антенны с противовесом. Параметры этих двухполюсников подбираются из условия согласования входного сопротивления антенны с волновым сопротивлением питающей линии одновременно на центральных частотах нескольких поддиапазонов.

Формула изобретения

Многочастотная низкопрофильная антенна, содержащая короткий вертикальный вибратор высотой, меньшей 0,1 длины волны, проводящий диск и два двухполюсника, первый из которых соединяет верхний конец короткого вертикального вибратора с проводящим диском, а второй двухполюсник подключен к нижнему концу короткого вертикального вибратора, отличающаяся тем, что первый двухполюсник не содержит потерь и выполнен таким образом, что его входное сопротивление описывается функцией частоты, имеющей N (N=1,2,3...) полюсов (нулей), например, в виде отрезка несимметричной полосковой линии, нагруженной в различных сечениях емкостями, а второй двухполюсник является индуктивностью, которая соединяет нижний конец короткого вертикального вибратора и потенциальную шину антенны с противовесом, причем параметры первого и второго двухполюсников связаны с параметрами короткого вертикального вибратора на центральной частоте f_i (i=1,2,3… N) каждого из поддиапазонов следующим соотношением:

где Х_Н - сопротивление первого двухполюсника и диска относительно противовеса;

Х_O - реактивное сопротивление основания антенны с учетом подключенного к нижнему концу короткого вертикального вибратора второго двухполюсника;

ρ - волновое сопротивление короткого вертикального вибратора;

f_o - собственная резонансная частота короткого вертикального вибратора;

R_А - суммарное сопротивление излучения и потерь в антенне;

R_i - внутреннее сопротивление генератора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4