Двухмодовая антенна

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для работы в радиолиниях систем связи и навигации в режимах с линейной и вращающейся поляризациями. Техническим результатом является снижение электрических размеров конструкции антенны при одновременном улучшении качества согласования в двухмодовом режиме работы. Сущность изобретения заключается в том, что антенна состоит из первого и второго излучателей, обеспечивающих работу в режиме соответственно линейной и вращающейся поляризаций. Первый излучатель выполнен в виде сплошной полой металлической конической поверхности (КП), установленной над металлическим экраном и обращенной к нему вершиной, которая подключена к фидеру первого тракта питания. Второй излучатель в виде турникетного вибратора (ТВ) установлен в раскрыве КП. Внешние концы плеч ТВ подключены к кромке КП, а примыкающие к центру ТВ подключены к отрезкам фидера второго тракта питания. Определены оптимальные соотношения размеров элементов конструкции антенны. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенной технике, и может быть использовано в системах связи и навигации в радиолиниях подвижной радиосвязи с неориентированным в пространстве корреспондентом, работающим в двух частотных поддиапазонах в двухмодовом режиме, т.е. с вращающейся и линейной поляризациями излучаемых электромагнитных волн.

Известны двухмодовые антенны (см., например, пат. США №3725943 от 03.04.1973, пат. США №3742510 от 26.06.1973 г., пат. РФ №2148287 от 27.04.2000 г.).

Двухмодовая антенна (по пат. США №3725943 от 03.04.1973 г., МПК H 01 Q 21/26) выполнена в виде дискоконусной антенны, в которой противовес, представляющий собой группу проводников, расположенных по поверхности конуса вращения, подключен к экранной оболочке коаксиального фидера, центральный проводник которого подключен к металлическому диску, установленному над противовесом перпендикулярно оси конуса вращения. В свою очередь диск выполнен в виде системы из 4-х ортогональных вибраторов-проводников, которые могут возбуждаться либо синфазно (режим излучения с вертикальной линейной поляризацией), либо в фазовой квадратуре (режим излучения с вращающейся поляризацией и максимумом диаграммы направленности (ДН) в зенит).

Такая антенна обеспечивает работу в двухмодовом режиме: в системах радиосвязи земной волной (линейной поляризацией), в системах телеметрии пространственной волной (с вращающейся поляризацией).

Недостатком данного аналога является относительно невысокое качество согласования (в режиме линейной поляризации) и большие электрические размеры.

Двухмодовая антенна (по пат. США №3742510 от 26.06.1973 г., МПК H 01 Q 1/00) состоит из противовеса в виде четырех взаимно ортогональных трубчатых проводников, установленных по поверхности конуса вращения и подключенных к двум трактам питания: к одному из них синфазно (режим линейной поляризации), а к второму - в фазовой квадратуре (режим с вращающейся поляризацией). К центральному проводнику фидера первого тракта питания подключен металлический диск, плоскость которого перпендикулярна вертикальной оси конуса вращения. Антенна обеспечивает двухмодовый режим работы: с линейной и вращающейся поляризациями.

Недостатком данной антенны является узкий диапазон частот в режиме линейной поляризации в силу нарушения с ростом частоты принципа самодополнительности структуры.

Наиболее близкой по своей технической сущности к заявленной является известная двухмодовая антенна по пат. РФ №2148287 от 27.04.2000 г. МПК 7 H 01 Q 9/28 (вариант 1).

Антенна-прототип содержит первый излучатель линейной поляризации, выполненный в виде противовеса из совокупности проводников, установленных по поверхности конуса вращения, и металлического диска, плоскость которого перпендикулярна вертикальной оси конуса вращения. Противовес и металлический диск подключены к коаксиальному фидеру первого тракта (линейной поляризации).

Над металлическим диском с диэлектрическим зазором установлена металлическая пластина, подключенная через отверстие в металлическом диске к одному из проводников коаксиального фидера второго тракта (вращающейся поляризации) с помощью короткозамкнутого проводника, один конец которого замкнут на металлическую пластину.

Однако антенна-прототип имеет недостатки:

- большие электрические размеры (т.е. соотношение ее линейных размеров и длины рабочей волны);

- относительно невысокое качество согласования, обусловленное тем, что в качестве противовеса в прототипе использован набор линейных проводников, приводящий на высоких частотах к нарушению принципа самодополнительности излучающей структуры антенны.

Целью изобретения является разработка двухмодовой антенны, обеспечивающей работу в режимах вращающейся и линейной поляризаций с более высоким качеством согласования при одновременном снижении электрических размеров конструкции.

Заявленная антенна расширяет арсенал средств данного назначения.

Поставленная цель достигается тем, что в известной двухмодовой антенне, содержащей первый излучатель линейной поляризации, подключенный к первому тракту питания, и второй излучатель вращающейся поляризации, подключенный к второму тракту питания, первый излучатель выполнен в виде полой металлической конической поверхности, установленной вертикально над металлическим экраном и обращенной к нему вершиной. Вершина конической поверхности через отверстие в металлическом экране (МЭ) подключена к центральному проводнику коаксиального фидера первого тракта питания, экранная оболочка которого подключена к МЭ. Верхняя кромка конической поверхности подключена к МЭ с помощью вертикальных отрезков проводников. В раскрыве конической поверхности установлен второй излучатель, выполненный в виде турникетного вибратора. Внешние концы турникетного вибратора подключены к верхней кромке конической поверхности (КП). Примыкающие к центру концы ортогональных пар плеч турникетного вибратора с помощью двух отрезков коаксиального фидера подключены к второму тракту питания. Верхняя кромка КП подключена к МЭ с помощью двух отрезков проводника в диаметрально противоположных точках.

Каждое плечо турникетного вибратора выполнено в виде треугольной пластины с углом при вершине, примыкающей к центру турникетного вибратора, выбранным в пределах 55-65°. Плечи турникетного вибратора запитаны равноамплитудно и с прогрессивным 90° фазовым сдвигом. Проводники, подключенные к кромке КП, выполнены трубчатыми и в их полостях установлены отрезки коаксиального фидера, подключенные к ортогональным парам плеч турникетного вибратора.

Благодаря перечисленной совокупности существенных признаков обеспечивается формирование самодополнительных структур излучателей как линейной, так и вращающейся поляризаций и возможность их компактного совмещения в одной конструкции

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют в известных источниках информации, что указывает на соответствие заявленного изобретения условию патентоспособности "новизна".

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники, что указывает на соответствие заявленного изобретения условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Заявленное устройство поясняется чертежами, на которых показаны:

на фиг.1 - общий вид заявленной двухмодовой антенны;

на фиг.2 - схема подключения к тракту питания турникетного вибратора;

на фиг.3 - эквивалентная схема излучателя линейной поляризации;

на фиг.4 - результаты измерения качества согласования;

на фиг.5, 6 - результаты измерения характеристик направленности.

Заявленная двухмодовая антенна, показанная на фиг.1, состоит из первого излучателя линейной поляризации, который состоит из сплошной полой конической поверхности (КП) 1 высотой H и углом α при вершине. КП 1 установлена вертикально над металлическим экраном (МЭ) 2 и обращена к нему вершиной. Верхняя кромка КП 1 с помощью трубчатых проводников 3 с внутренним диаметром d подключена к МЭ 2. Точки а-а′ подключения проводников 3 к верхней кромке КП 1 расположены диаметрально противоположно. Через отверстие 4 в центре МЭ 2 вершина КП 1 подключена (точка "b") к центральному проводнику фидера первого тракта питания 9, а его экранная оболочка подключена (точка "b′") к МЭ 2.

Второй излучатель вращающейся поляризации выполнен в виде турникетного вибратора, плечи 5 которого длиной l каждое выполнены в виде идентичных треугольных пластин с углами ϕ при вершинах, обращенных к центру турникетного вибратора (см. также фиг.2). Примыкающие к центру вершины пластин 5 попарно с помощью двух отрезков 6, 7 коаксиального фидера подключены к фидеру второго тракта питания. Отрезки коаксиального фидера 6, 7 установлены в полости соответствующих трубчатых проводников 3. Периферийные концы плеч турникетного вибратора кондуктивно подключены к верхней кромке КП 1. Вариант подключения отрезков 6, 7 коаксиального фидера к плечам турникетного вибратора показан на фиг.2. В каждой противолежащей паре плеч вершина одного плеча подключена к центральному проводнику соответствующего отрезка коаксиального фидера, экранная оболочка которого подключена к вершине другого плеча (точки c-c′).

Для обеспечения равноамплитудного с прогрессивным 90° фазовым сдвигом питания плеч турникетного излучателя может быть использован 3-дБ мост 11, схема которого известна (см., например, А.С. СССР №803800 от 08.10.80 г.) и на выходах которого возбуждающие эдс при равенстве амплитуд имеют 90° фазовый сдвиг.

Вся конструкция антенны может устанавливаться под радиопрозрачным колпаком 8. Причем для более рационального использования выделенного объема плечи 5 турникетного вибратора могут быть изогнуты по форме радиопрозрачного колпака 8 (см. фиг.2б).

Заявленная антенна работает следующим образом. С учетом зеркального отображения КП 1 в МЭ 2 первый излучатель линейной поляризации может быть представлен в виде самодополнительной структуры с шунтовым возбуждением (фиг.3). Роль шунтов выполняют трубчатые проводники 3. Известно, что при выборе угла α при вершине, близкого к 60°, в самодополнительной структуре обеспечиваются наилучшие условия согласования. В азимутальной плоскости ДН такого излучателя будет ненаправленной, а поляризация - линейной.

Отрезки коаксиального фидера 6, 7, подключенные через 3-дБ мост 11 к фидеру 10 второго тракта питания, в точках а, а′ экранными оболочками электрически подключены к верхней кромке КП 1, чем обеспечивается симметрирование питания соответствующей пары плеч 5 турникетного вибратора. Так как внешние концы плеч 5 турникетного вибратора электрически подключены к верхней кромке КП 1, то кромка выполняет роль шунта. При такой конструкции обеспечивается формирование схемы шунтового турникетного вибратора в виде самодополнительной структуры, обладающей, при фиксированных разрешенных габаритах, наилучшими условиями согласования. Возможность достижения приемлемого качества согласования дополнительно обеспечивается тем, что КП 1 выполнена полой, чем практически исключается влияние КП 1 на входные параметры турникетного вибратора.

Соотношения элементов конструкции антенны, при которых обеспечивается приемлемое качество согласования (коэффициент бегущей волны КБВ≥0,4) при минимальных электрических размерах конструкции, установлены в ходе экспериментальной проверки и составили:

H/λ_1max≥0,095; D/H=1,2÷1,7; d/H=0,01÷0,03;

l/H=0,45÷0,6; α=55-65°; ϕ=55-65°;

λ_1max - наибольшая длина рабочей волны для работы в режиме линейной поляризации.

Опытный образец, предназначенный для работы в режиме линейной поляризации, начиная с длины рабочей волны λ_1max=2,5, м и для работы в режиме вращающейся поляризации на средней длине рабочей волны λ_2ср=1 м, имел следующие физические размеры (мм):

D=360; H=237; d=5; l=125; α=60°; ϕ=60°

Результаты измерения качества согласования (волновое сопротивление фидера ρ_ф=50 Ом), показанные на фиг.4, подтвердили возможность достижения поставленной цели - снижения электрических размеров при сохранении КБВ≥4. Так, в заявленном устройстве (режим линейной поляризации) уровень КБВ>0,4 обеспечивается начиная с H/λ₁≈0,095; в прототипе - начиная с Нλ₁≈0,161, т.е. достигается снижение электрических размеров в 1,77 раза.

Одновременно, практически без увеличения физической высоты Н излучателя линейной поляризации обеспечивается уровень КБВ≥0,4 излучателя вращающейся поляризации начиная с электрических размеров l/λ₂≈0,125.

Приведенные на фиг.5 и 6 результаты измерения характеристик направленности подтверждают возможность работы с неориентированным по азимуту корреспондентом как земной волной излучателем линейной поляризации (фиг.5а, б), так и пространственной волной излучателем вращающейся поляризации (фиг.6а, б). Измерения коэффициента эллиптичности k_Э турникетного вибратора показали, что его значения обеспечиваются:

под углом 90° - k_Э>0,95;

под углами 60° - k_Э>0,7;

под углами 30° - k_Э>0,4.

Таким образом, заявленная антенна обеспечивает работу в двухмодовом режиме (с линейной и вращающейся поляризациями) с более высоким качеством согласования при одновременном снижении электрических размеров, т.е. обеспечивает достижение поставленной цели.

1. Двухмодовая антенна, содержащая первый излучатель линейной поляризации, подключенный к первому тракту питания, и второй излучатель вращающейся поляризации, подключенный к второму фидерному тракту, отличающаяся тем, что первый излучатель выполнен в виде полой металлической конической поверхности, установленной вертикально над металлическим экраном и обращенной к нему вершиной, которая через отверстие в металлическом экране подключена к центральному проводнику коаксиального фидера первого тракта питания, экранная оболочка которого подключена к металлическому экрану, верхняя кромка конической поверхности подключена к металлическому экрану с помощью вертикальных отрезков проводников, в раскрыве конической поверхности установлен второй излучатель, выполненный в виде турникетного вибратора, внешние концы которого подключены к верхней кромке конической поверхности, а примыкающие к центру концы ортогональных пар плеч турникетного вибратора с помощью двух отрезков коаксиального фидера подключены к второму фидерному тракту.

2. Двухмодовая антенна по п.1, отличающаяся тем, что каждое плечо турникетного вибратора выполнено в виде треугольной пластины с углом при вершине, примыкающей к центру турникетного вибратора, выбранным в пределах 55÷65°;

3. Двухмодовая антенна по п.1, отличающаяся тем, что верхняя кромка конической поверхности подключена к металлическому экрану с помощью двух отрезков проводника в диаметрально противоположных точках.

4. Двухмодовая антенна по п.1, отличающаяся тем, что плечи турникетного вибратора запитаны равноамплитудно и с прогрессивным 90°-ным фазовым сдвигом.

5. Двухмодовая антенна по п.1, отличающаяся тем, что отрезки проводников, подключенные к верхней кромке конической поверхности и металлическому экрану, выполнены трубчатыми, а в их внутренних полостях установлены отрезки коаксиального фидера, подключенные к ортогональным парам плеч турникетного вибратора.

6. Двухмодовая антенна по п.1, отличающаяся тем, что высота H/λ_1max≥0,095, где λ_1max - максимальная длина волны для работы антенны в режиме линейной поляризации.