Двухчастотная двухмодовая антенна

Изобретение относится к антенной технике и предназначено для использования в системах связи и навигации при работе в двухмодовом режиме в двухчастотных поддиапазонах. Техническим результатом является снижение электрических размеров антенны, улучшение качества согласования и обеспечения двухмодовой работы при относительно небольшом частотном разносе. Сущность изобретения состоит в том, что первый излучатель линейной поляризации выполнен в виде полой конической поверхности (КП), установленной вершиной к металлическому экрану (МЭ), кромки КП посредством трубчатых проводников подключены к МЭ, вершина КП подключена к фидеру первого тракта питания, второй излучатель вращающейся поляризации выполнен в виде турникетного вибратора (ТВ), установленного над раскрывом КП. Плечи ТВ попарно подключены с помощью двух отрезков фидера к второму тракту питания и изогнуты в сторону МЭ. К внешним концам плеч ТВ подключены емкостные нагрузки. Определены соотношения размеров элементов конструкции. 7 з.п. ф-лы, 7 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 (первая мода) и линейной (вторая мода) поляризациями излучаемых электромагнитных волн (ЭМВ).

Известны двухчастотные двухмодовые антенны (см., например, пат. США №3725943 от 3.04.1973, пат. США №3742510 от 26.06.1973 г., пат. РФ №2148287 от 27.04.2000 г.).

Двухчастотная двухмодовая антенна по пат. США №3725943 от 03.04.1973 г., МПК Н 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 ортогональных вибраторов-проводников, которые могут возбуждаться либо синфазно (режим линейной поляризации), либо в фазовой квадратуре (режим вращающейся поляризации). Такая антенна обеспечивает работу в двухмодовом режиме: в системах радиосвязи (земной) волной с 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.

Двухчастотная 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 фидерным трактам: к одному из них синфазно (режим линейной поляризации), а к второму - в фазовой квадратуре (режим с вращающейся поляризацией). К центральному проводнику фидера первого фидерного тракта 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 двухчастотная 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 фидерного 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 фидерного тракта (вращающаяся поляризация) 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 использованы линейные проводники, приводящие на высоких частотах к нарушению принципа самодополнительности излучающей структуры антенны;

- работа антенны в двухмодовом режиме возможна при относительно большом их частном разносе, что обусловлено необходимостью соблюдения присущих для данной конструкции антенны соотношений ее элементов.

Целью изобретения является разработка двухчастотной двухмодовой антенны, обеспечивающей при снижении ее электрических размеров более высокое качество согласования и возможность работы при меньшем частотном разносе режимов линейной и вращающейся поляризаций.

Кроме того, заявленная антенна расширяет арсенал средств данного назначения.

Поставленная цель достигается тем, что в известной двухмодовой антенне, содержащей первый излучатель линейной поляризации, подключенный к первому фидерному тракту, и второй излучатель вращающейся поляризации, подключенный к второму фидерному тракту, первый излучатель выполнен в виде полой металлической конической поверхности высотой Н. Коническая поверхность (КП) установлена вертикально над металлическим экраном (МЭ) диаметром D и обращенной к нему вершиной. Вершина КП через отверстие в МЭ подключена к центральному проводнику коаксиального фидера первого фидерного тракта, а его экранная оболочка - к металлическому экрану. Верхняя кромка КП подключена к МЭ с помощью вертикальных отрезков проводников (ВОП). Второй излучатель выполнен в виде турникетного вибратора (ТВ), установленного над раскрывом КП. Плечи ТВ изогнуты к МЭ по окружности радиусом R. Ортогональные пары плеч ТВ подключены соответственно к первому и второму отрезкам коаксиального фидера, вторые концы которых подключены к второму фидерному тракту. Плечи каждой ортогональной пары плеч ТВ подключены к соответствующему отрезку коаксиального фидера через симметрирующее устройство, размещенное в полости КП. К внешнему концу каждого из плеч ТВ подключена емкостная нагрузка.

ВОП выполнены трубчатыми и подключены к кромке КП в диаметрально противоположных точках. Отрезки коаксиального фидера, подключенные к второму фидерному тракту, размещены в полостях трубчатых ВОП и от верхней кромки КП уложены по ее внутренней поверхности к ее вершине.

Высота Н КП выбрана не менее 0,095 наибольшей длины волны в режиме линейной поляризации.

Плечи ТВ запитаны равноамплитудно с прогрессивным 90° фазовым сдвигом.

Радиус окружности, по которой изогнуты плечи ТВ, и радиус D/2 МЭ соотносятся как 2R/D=0,8-0,9. Угол при вершине КП выбран в пределах 55-65°. Плечи ТВ и подключенные к их внешним концам емкостные нагрузки выполнены в виде ленточных проводников. Плоскости ленточных проводников емкостных нагрузок перпендикулярны к плоскости МЭ, а их продольные оси перпендикулярны продольным осям соответствующих плеч ТВ.

Симметрирующее устройство выполнено в виде U-колена.

Благодаря указанной новой совокупности существенных признаков обеспечивается формирование самодополнительной структуры излучателя линейной поляризации, а взаимным размещением и формой плеч ТВ обеспечивается его эффективная работа на более низких частотах без увеличения общих электрических размеров антенны.

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 двухчастотной двухмодовой антенны;

на фиг.2 - рисунки, поясняющие конструкцию антенны;

на фиг.3 - эквивалентная схема первого излучателя;

на фиг.4 - схема подключения плеч турникетного вибратора с помощью симметрирующего устройства;

на фиг.5 - результаты измерения качества согласования;

на фиг.6, 7 - результаты измерения характеристик направленности.

Заявленная двухчастотная двухмодовая антенна, показанная на фиг.1, состоит из первого излучателя линейной поляризации, который состоит из сплошной полой металлической конической поверхности 1, высотой Н 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 вертикальных отрезков проводников 3 с внутренним диаметром d подключена к МЭ 2. Точки k-k' подключения ВОП 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 5 первого фидерного тракта, а его экранная оболочка подключена (точка "b'") к МЭ 2.

Второй излучатель вращающейся поляризации выполнен в виде турникетного вибратора, установленного над раскрывом КП 1. Каждое плечо 6 турникетного вибратора (ТВ) выполнено в виде ленточного проводника длиной l и шириной t, к внешнему концу которого подключена емкостная нагрузка 10 в виде ленточного проводника длиной l_н и шириной t. Плечи ТВ запитаны равноамплитудно и с прогрессивным 90° фазовым сдвигом. Плечи ТВ изогнуты в сторону МЭ 2 по радиусу R (см. также фиг.2), повторяющим форму диэлектрического обтекателя 7, под которым может устанавливаться вся конструкция антенны. Каждая ортогональная пара плеч 6 ТВ подключена с помощью соответствующего отрезка коаксиального фидера 8 и 9 в центре ТВ и симметрирующего устройства 11 (точки а-а') к второму фидерному тракту. В частности, в качестве симметрирующего устройства может быть использовано U-колено 10 (см. фиг.4). Отрезки коаксиального фидера 8 и 9 через отверстия в МЭ 2 уложены в полости соответствующего трубчатого ВОП 3 и далее по внутренней поверхности КП 1 уложены до ее вершины, где их экранные оболочки электрически соединены с внутренней поверхностью КП 1 (точка "с"). От вершины отрезки коаксиального фидера 8 и 9 установлены вертикально и каждый из них через симметрирующее устройство 11 подключен к соответствующей паре плеч 6 ТВ (см. фиг.4). Для обеспечения равноамплитудного с прогрессивным 90° фазовым сдвигом питания плеч ТВ отрезки коаксиального фидера 8 и 9 к фидеру 12 второго фидерного тракта, в частности, могут быть подключены через 3-дБ мост 13. Схема 3-дБ моста известна и приведена, например, в а.с. СССР №803800 от 08.10.80 г. На выходах 3-дБ моста возбуждающие э.д.с. при равенстве амплитуд имеют 90° фазовый сдвиг.

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 ВОП 3. Известно, что при выборе угла α при вершине, близком к 60°, реализуется принцип самодополнительности, обеспечивающий в сравнении с другими конструктивными решениями наилучшее качество согласования - коэффициент бегущей волны (КБВ). Снизу частотный диапазон такой схемы ограничен выбранной (из конструктивных соображений) высотой Н конической поверхности. Таким образом, первый излучатель обеспечивает формирование в плоскости Н (плоскости, перпендикулярной вертикальной оси излучателя) ненаправленное излучение с линейной поляризацией.

Благодаря полой конструкции КП 1 в ее раскрыве можно установить турникетный вибратор. Благодаря изгибу плеч 6 с подключенными к их концам емкостными нагрузками 10 оказывается возможным уменьшить общий объем антенны без снижения эффективности работы второго излучателя. Это обусловлено тем, что сопротивление, вносимое конической поверхностью 1, минимизировано за счет полой конструкции и пренебрежимо малой емкостной связью верхней кромки КП 1 с пересекающими ее ленточными проводниками плеч 6 ТВ. Емкостные нагрузки 10 ориентированы ортогонально относительно вектора тока первого излучателя, что также снижает его вносимое сопротивление. Одновременно благодаря емкостным нагрузкам обеспечивается эквивалентное удлинение плеч ТВ без физического увеличения их длины. Порядок расчета эквивалентного удлинения плеч вибратора за счет емкостных нагрузок известен и описан, например, в книге: Чернышев В.П., Шейнман Д.И. Распространение радиоволн и антенные устройства. - М.: Связь, 1973, с.192-198.

Размещение отрезков коаксиального фидера 8, 9 в трубчатых ВОП 3 и полости КП 1 обеспечивает полную развязку излучателей первой и второй мод и их компактное размещение в относительно малом объеме, определяемом фактически объемом только первого излучателя линейной поляризации. При такой схеме также без увеличения общего объема антенны возможна работа излучателей первой и второй мод с относительно небольшим частотным разносом. Для исключения краевого эффекта МЭ 1 радиус R изгиба плеч ТВ выбран из условия 2R/D=0,8÷0,9.

Соотношения элементов конструкции антенны, при которых обеспечивается приемлемое качество согласования (КБВ≥0,4) при минимальных размерах конструкции, определены по результатам экспериментальной проверки антенны

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

α=55÷65°; l=(0,18÷0,2)λ_2ср; t=(0,05÷0,09)l; l_н=(0,2÷0,3)l

λ_1max - максимальная длина рабочей волны рабочего диапазона волн первого излучателя (линейной поляризации);

λ_2ср - средняя длина рабочей волны второго излучателя (вращающейся поляризации).

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

D=360; H=237; d=5; l=275; t=20; l_н=80; R=150; α=60°

Результаты измерения электрических параметров антенны: качества согласования (фиг.5) (волновое сопротивление фидера ρ_ф=50 Ом) и характеристик направленности, приведенных на фиг.6 (вращающаяся поляризация), фиг.7 (линейная поляризация), подтвердили возможность достижения поставленной цели - снижения электрических размеров при сохранении КБВ≥4 и уменьшения частотного разноса при работе в двухмодовом режиме.

Так, в заявленной антенне в режиме линейной поляризации уровень КБВ≥0,4 обеспечивается, начиная с H/λ_1max≈0,095; в прототипе - начиная с H/λ_1max≈0,161, т.е. достигается снижение электрических размеров в 1,77 раза. В заявленном устройстве уровень КБВ≥0,4 обеспечивается (при линейной поляризации), начиная с H/λ₁≈0,095; при вращающейся поляризации, начиная с l/λ₂=0,11, т.е. соотношение рабочих длин волн составляет 1,16. В прототипе такое соотношение составляет 1,43 (см. фиг.5). То есть в заявленной антенне эффективная двухмодовая работа антенны возможна при меньшем частотном разносе каналов без увеличения общих габаритов конструкции.

В режиме вращающейся поляризации формируется диаграмма направленности (ДН), близкая к равномерной в азимутальной плоскости (фиг.6а) и с максимумом в зенит (фиг.6б) в вертикальной плоскости, что необходимо при работе пространственной волной. В режиме линейной поляризации ДН практически равномерная в азимутальной плоскости (фиг.7а) и с максимумом вдоль поверхности земли (фиг.7б) в вертикальной плоскости (что необходимо при работе земной (поверхностной) волной.

Измерения коэффициента эллиптичности k_э турникетного вибратора показали, что его значения обеспечиваются

под углом 90° - k_э>0,96;

под углами 60° - k_э>0,68;

под углами 30° - k_э>0,42.

Таким образом, заявленная антенна обеспечивает работу в двухмодовом режиме при меньших электрических размерах и при меньшем частотном разносе, тем самым реализуется поставленная цель.

1. Двухчастотная двухмодовая антенна, содержащая первый излучатель линейной поляризации, подключенный к первому фидерному тракту, и второй излучатель вращающейся поляризации, подключенный к второму фидерному тракту, отличающаяся тем, что первый излучатель выполнен в виде полой металлической конической поверхности высотой Н, установленной вертикально над металлическим экраном диаметром D и обращенной к нему вершиной, которая через отверстие в металлическом экране подключена к центральному проводнику коаксиального фидера первого фидерного тракта, экранная оболочка которого подключена к металлическому экрану, верхняя кромка конической поверхности подключена к металлическому экрану с помощью вертикальных отрезков проводников, второй излучатель выполнен в виде турникетного вибратора, установленного над раскрывом конической поверхности, и плечи которого изогнуты к металлическому экрану по окружности радиусом R, ортогональные пары плеч турникетного вибратора подключены соответственно к первому и второму отрезкам коаксиального фидера, вторые концы которых подключены к второму фидерному тракту, причем плечи каждой ортогональной пары плеч турникетного вибратора подключены к соответствующему отрезку коаксиального фидера через симметрирующее устройство, размещенное в полости конической поверхности, а к внешнему концу каждого из плеч турникетного вибратора подключена емкостная нагрузка.

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

3. Двухчастотная двухмодовая антенна по п.2, отличающаяся тем, что отрезки коаксиального фидера, подключенные к второму фидерному тракту, размещены в полостях трубчатых отрезков проводников и от верхней кромки конической поверхности уложены по ее внутренней поверхности к ее вершине.

4. Двухчастотная двухмодовая антенна по п.1, отличающаяся тем, что высота Н конической поверхности выбрана из условия H≥0,095λ_1max, где λ_1max - наибольшая длина рабочей волны антенны в режиме линейной поляризации.

5. Двухчастотная двухмодовая антенна по п.1, отличающаяся тем, что плечи турникетного вибратора запитаны равноамплитудно с прогрессивным 90°-ным фазовым сдвигом.

6. Двухчастотная двухмодовая антенна по п.1, отличающаяся тем, что радиус R окружности, по которой изогнуты плечи турникетного вибратора, и радиус D/2 металлического экрана соотносятся как 2R/D=0,8-0,9.

7. Двухчастотная двухмодовая антенна по п.1, отличающаяся тем, что угол при вершине конической поверхности выбран в пределах 55-65°.

8. Двухчастотная двухмодовая антенна по п.1, отличающаяся тем, что плечи турникетного вибратора и подключенные к их внешним концам емкостные нагрузки выполнены в виде ленточных проводников, причем плоскости ленточных проводников емкостных нагрузок перпендикулярны к плоскости металлического экрана, а их продольные оси ортогональны продольным осям соответствующих плеч турникетного вибратора.