Спиральная антенна с перестраиваемой резонансной частотой

 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в системах радиосвязи УКВ и ДМВ диапазонов. Техническим результатом является создание спиральной антенны, обладающей оптимальным согласованием при перестройке резонансной частоты в широком диапазоне частот. Технический результат достигается тем, что спиральная антенна с перестраиваемой резонансной частотой содержит элементы, выполняющие функцию излучателя: диэлектрическое основание с расположенной на нем излучающей обмоткой, распределенный конденсатор переменной емкости (воздушный), образованный одним или несколькими металлическими стержнями, расположенными вдоль оси диэлектрического основания, и излучающей обмоткой. Данная антенна также содержит элементы, выполняющие функцию согласующего резонансного трансформатора: первичную и вторичную обмотки на диэлектрическом основании, причем конец первичной обмотки и начало вторичной обмотки соединены между собой, цилиндрический конденсатор переменной емкости, состоящий из подвижной наружной металлической обкладки, соединенной с металлическими стержнями, диэлектрического изолятора, внутренней металлической обкладки, соединенной с началом первичной обмотки. Также имеется металлическая направляющая контактная втулка, жестко закрепленная на диэлектрическом основании между началом излучающей обмотки и концом вторичной обмотки, электрически соединяющая их между собой и через металлические стержни с подвижной наружной металлической обкладкой. Возможность перестройки резонансной частоты спиральной антенны обеспечивается одновременным перемещением металлических стержней распределенного конденсатора переменной емкости и подвижной наружной металлической обкладки цилиндрического конденсатора переменной емкости вдоль вертикальной оси первичной, вторичной обмоток и обмотки излучателя в соответствии с направлением перестройки резонансной частоты спиральной антенны, чем достигается оптимальное согласование в широком диапазоне частот. 2 ил.

Предлагаемая спиральная антенна с перестраиваемой резонансной частотой относится к антенной технике и может быть использована в системах радиосвязи УКВ и ДМВ диапазонов.

Из уровня техники известна спиральная антенна [1], состоящая из провода, намотанного на эластичное основание из стекловолокна по синусоидальному закону. При такой намотке происходит оптимальное синусоидальное распределение тока по длине спиральной антенны, что дает ей преимущество по сравнению с простой вертикальной антенной. Число витков спиральной антенны, необходимое для резонанса, зависит от длины спирали, шага, диаметра диэлектрического основания и диаметра провода спирали. Изготовление диэлектрического основания конусообразной формы и неравномерность намотки спирали делают невозможным расчет спиральной антенны, а намотка проводника антенны по синусоидальному закону трудновыполнима. Недостатком данной антенны также является невозможность перестройки резонансной частоты.

Наиболее близкой к предлагаемой спиральной антенне с перестраиваемой резонансной частотой является антенна [2], которая и выбрана в качестве прототипа. Она состоит из провода, намотанного вокруг стекловолоконного стержня, а перестройка резонансной частоты обеспечивается за счет конденсатора переменной емкости, включенного в точке питания последовательно с распределенной индуктивностью нижней части излучателя. Конструктивно конденсатор переменной емкости образован внутренней поверхностью металлического цилиндра, являющегося элементом крепления антенны и частью обмотки излучателя, который имеет возможность перемещения и фиксации в вертикальном направлении. В качестве диэлектрической прокладки использована термоусадочная трубка, защищающая излучатель антенны от внешних воздействий. Недостатком данной конструкции является то, что перемещение излучателя в нижнюю часть цилиндра приводит к увеличению емкости цилиндрического конденсатора, то есть к снижению резонансной частоты антенны при одновременном снижении части индуктивности излучателя. Это приводит к уменьшению диапазона перестройки спиральной антенны за счет рассогласования входного сопротивления антенны и приемопередатчика на краях диапазона рабочих частот.

Техническим результатом заявляемой спиральной антенны с перестраиваемой резонансной частотой является создание спиральной антенны, обладающей оптимальным согласованием при перестройке резонансной частоты в широком диапазоне частот.

Технический результат достигается тем, что спиральная антенна с перестраиваемой резонансной частотой содержит элементы, выполняющие функцию излучателя: диэлектрическое основание с расположенной на нем излучающей обмоткой, распределенный конденсатор переменной емкости (воздушный), образованный одним или несколькими металлическими стержнями, расположенными вдоль оси диэлектрического основания, и излучающей обмоткой. Данная антенна также содержит элементы, выполняющие функцию согласующего резонансного трансформатора: первичную и вторичную обмотки на диэлектрическом основании, причем конец первичной обмотки и начало вторичной обмотки соединены между собой, цилиндрический конденсатор переменной емкости, состоящий из подвижной наружной металлической обкладки, соединенной с металлическими стержнями, диэлектрического изолятора, внутренней металлической обкладки, соединенной с началом первичной обмотки. Также имеется металлическая направляющая контактная втулка, жестко закрепленная на диэлектрическом основании между началом излучающей обмотки и концом вторичной обмотки, электрически соединяющая их между собой и через металлические стержни с подвижной наружной металлической обкладкой. Возможность перестройки резонансной частоты спиральной антенны обеспечивается одновременным перемещением металлических стержней распределенного конденсатора переменной емкости и подвижной наружной металлической обкладки цилиндрического конденсатора переменной емкости вдоль вертикальной оси первичной, вторичной обмоток и обмотки излучателя в соответствии с направлением перестройки резонансной частоты спиральной антенны, чем достигается оптимальное согласование в широком диапазоне частот.

На фиг.1 изображена конструкция спиральной антенны с перестраиваемой резонансной частотой, где

1 - диэлектрическое основание;

2 - металлический стержень;

3 - металлическая направляющая контактная втулка;

4 - подвижная наружная металлическая обкладка;

5 - диэлектрический изолятор;

6 - внутренняя металлическая обкладка;

7 - коаксиальный питающий проводник;

8 - первичная обмотка;

9 - вторичная обмотка;

10 - излучающая обмотка.

Спиральная антенна с перестраиваемой резонансной частотой состоит из диэлектрического основания 1, на котором снизу вверх расположены три обмотки из провода: первичная обмотка 8, вторичная обмотка 9, излучающая обмотка 10.

Нижняя часть диэлектрического основания жестко скреплена с внутренней металлической обкладкой 6, окруженной диэлектрическим изолятором 5 и подвижной наружной металлической обкладкой 4. Внутренняя металлическая обкладка, диэлектрический изолятор и подвижная наружная металлическая обкладка образуют цилиндрический конденсатор переменной емкости. В теле подвижной наружной металлической обкладки параллельно оси диэлектрического основания жестко установлены металлические стержни 2, образующие с излучающей обмоткой распределенный конденсатор переменной емкости (воздушный).

Металлическая направляющая контактная втулка 3, жестко закрепленная на диэлектрическом основании между началом излучающей обмотки и концом вторичной обмотки, электрически соединяет их между собой и через металлические стержни с подвижной наружной металлической обкладкой цилиндрического конденсатора переменной емкости. Причем перемещение металлических стержней распределенного конденсатора переменной емкости и подвижной наружной металлической обкладки цилиндрического конденсатора переменной емкости производят одновременно и в соответствии с направлением перестройки резонансной частоты спиральной антенны. При этом начало первичной обмотки соединено с внутренней металлической обкладкой, а конец первичной обмотки и начало вторичной обмотки соединены между собой в одной точке.

Питание антенны осуществляют через коаксиальный проводник 7, подключенный к точке соединения конца первичной обмотки и начала вторичной обмотки согласующего трансформатора.

На фиг.2 изображена схема электрическая принципиальная спиральной антенны с перестраиваемой резонансной частотой, где

1 - излучатель;

2 - согласующий трансформатор;

L1 - излучающая обмотка;

L2 - вторичная обмотка;

L3 - первичная обмотка;

С1 - цилиндрический конденсатор переменной емкости;

С2 - распределенный конденсатор переменной емкости.

Принцип работы спиральной антенны с перестраиваемой резонансной частотой заключается в следующем.

Сигнал несущей частоты приемопередатчика поступает на первичную обмотку L3 согласующего трансформатора 2, где производится согласование активного сопротивления приемопередатчика и спиральной антенны. Роль согласующего трансформатора в данном случае выполняют расположенные на диэлектрическом основании первичная L3 и вторичная L2 обмотки из провода с параллельно подключенным цилиндрическим конденсатором переменной емкости С1, позволяющим осуществлять резонанс согласующего трансформатора 2.

Далее резонансный сигнал несущей частоты поступает на излучающую обмотку L1 излучателя 1. При этом функцию излучателя 1 выполняют расположенная на диэлектрическом основании излучающая обмотка L1 с параллельно подключенным распределенным конденсатором переменной емкости С2. Резонанс излучателя достигают за счет применения распределенного конденсатора переменной емкости С2, включенного параллельно части обмотки излучателя L1.

Изменение резонансной частоты спиральной антенны в сторону ее увеличения или уменьшения производят за счет одновременного уменьшения или увеличения емкости цилиндрического конденсатора переменной емкости С1 и распределенного конденсатора переменной емкости С2. Конструктивно это условие выполняется путем одновременного перемещения подвижной наружной металлической обкладки цилиндрического конденсатора переменной емкости и стержней распределенного конденсатора переменной емкости параллельно вертикальной оси первичной, вторичной и излучающей обмоток любым из известных способов. Для защиты антенны от воздействия внешних факторов может применяться чехол из изоляционной трубки.

Источники информации

1. "Антенны" /Под ред. К.Ротхаммеля. - Санкт-Петербург, "Бояныч", 1998 г., стр. 508, 509.

2. Патент на изобретение, США №5, 955, 996, 1999 г.

Формула изобретения

Спиральная антенна с перестраиваемой резонансной частотой, содержащая первичную обмотку, вторичную обмотку и излучающую обмотку, расположенные снизу вверх на диэлектрическом основании, нижняя часть которого жестко скреплена с внутренней металлической обкладкой, окруженной диэлектрическим изолятором и подвижной наружной металлической обкладкой с установленными в ней параллельно оси диэлектрического основания металлическими стержнями, а также металлическую направляющую контактную втулку, жестко закрепленную на диэлектрическом основании между началом излучающей обмотки и концом вторичной обмотки, электрически соединяющую их между собой и через металлические стержни с подвижной наружной обкладкой, причем начало первичной обмотки соединено с внутренней обкладкой, а конец первичной обмотки и начало вторичной обмотки соединены между собой в точке питания.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2