Несимметричная вибраторная антенна

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в стационарных и мобильных системах связи в KB и УКВ диапазонах частот, в частности, в качестве базовой антенны передающей станции. Технический результат заключается в улучшении согласования вертикального вибратора с коаксиальным фидером и в увеличении коэффициента усиления антенны в направлении горизонта и под малыми углами места. Сущность изобретения состоит в том, что антенна содержит вертикальный вибратор, коаксиальный фидер, запирающий цилиндр и реактивный шлейф в виде короткозамкнутого отрезка коаксиальной линии, подключенного параллельно коаксиальному фидеру у основания вертикального вибратора. Даны электрические размеры вибратора, запирающего цилиндра и реактивного шлейфа. 5 ил.

 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в стационарных и мобильных системах связи в KB и УКВ диапазонах частот, в частности в качестве базовой антенны передающей станции.

Известны несимметричные вибраторные антенны, содержащие вертикальный вибратор четвертьволновой высоты, проводящий экран и коаксиальный фидер, подключенный к основанию вертикального вибратора и экрану [1].

Однако известные несимметричные вибраторные антенны имеют недостаточно высокий уровень согласования вибратора с коаксиальным фидером, имеющим волновое сопротивление Z_o=50 Ом. Даже при оптимальном для входного сопротивления вибратора размере экрана, превышающем высоту вибратора в 4 раза (D_э≈λ), значения КСВ_н на выходе вибратора КСВ_н≈2.0.

Кроме того, вследствие дифракции электромагнитной волны на кромке проводящего экрана диаграмма направленности антенны в горизонтальной плоскости приобретает изрезанность, а в вертикальной плоскости искажается из-за антенного эффекта коаксиального фидера и отжимается от экрана, что уменьшает коэффициент усиления антенны в направлении горизонта.

Наиболее близким техническим решением для заявленного является коаксиальная антенна, описанная в [2]. Она содержит вертикальный вибратор, коаксиальный фидер, внутренний проводник которого подключен к основанию вертикального вибратора, и запирающий цилиндр, надетый с зазором на внешний проводник коаксиального фидера и соединенный с ним у основания вертикального вибратора.

Известная коаксиальная антенна имеет следующие ограничения: невысокое согласование с коаксиальным фидером, так как при длине вертикального вибратора и запирающего цилиндра l_в=l_ц=0.25λ, где λ - рабочая длина волны, активная составляющая входного сопротивления R_вх≈90 Ом, а реактивная составляющая Х_вх=+j45 Ом [3]; невысокий коэффициент усиления в направлении горизонта и под малыми углами места, который составляет G=1.4...2.0 дБ [3], что во многих случаях недостаточно для связи в KB и УКВ диапазонах частот.

В изобретении решается задача создания антенны вертикальной линейной поляризации с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости, обладающей более высоким коэффициентом усиления в вертикальной плоскости, чем у четвертьволнового вибратора, расположенного над идеально проводящим экраном.

Технический результат, который может быть получен для заявленной несимметричной вибраторной антенны при ее осуществлении, состоит в улучшении согласования вертикального вибратора с коаксиальным фидером и увеличении коэффициента усиления антенны в направлении горизонта и под малыми углами места.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата, в известной коаксиальной антенне, содержащей вертикальный вибратор, коаксиальный фидер, внутренний проводник которого подключен к основанию вертикального вибратора, и запирающий цилиндр, надетый с зазором на внешний проводник коаксиального фидера и соединенный с ним у основания вертикального вибратора, согласно изобретению введен реактивный шлейф, выполненный в виде короткозамкнутого отрезка коаксиальной линии, имеющей волновое сопротивление, равное волновому сопротивлению коаксиального фидера, подключенного параллельно коаксиальному фидеру у основания вертикального вибратора, при этом размеры вертикального вибратора, реактивного шлейфа и запирающего цилиндра выбраны из соотношений: высота вертикального вибратора равна (0.64...0.68)λ, длина реактивного шлейфа равна (0.20...0.24)λ_ε и длина запирающего цилиндра равна (0.18...0.20)λ, где λ - рабочая длина волны, λ_ε - длина волны в коаксиальной линии реактивного шлейфа с учетом диэлектрической проницаемости ε заполнителя.

На фиг.1 изображен общий вид заявленной несимметричной вибраторной антенны. На фиг.2 показано распределение амплитуды и фазы тока по высоте h вибратора на частоте, при которой h=0.68λ. На фиг.3 показана резонансная характеристика настройки антенны. На фиг.4 и фиг.5 показаны экспериментальные диаграммы направленности заявленной антенны в вертикальной (пл. Е) и горизонтальной (пл. H) плоскости на частоте, когда электрическая высота вибратора h/λ=0.68.

Предлагаемая несимметричная вибраторная антенна состоит из вертикального вибратора 1, коаксиального фидера 2, запирающего цилиндра (стакана) 3 и реактивного шлейфа 4. Высота h вибратора 1 выбрана из соотношения h=(0.64...0.68)λ, где λ - рабочая длина волны. Он может иметь штыревую или трубчатую форму, а также телескопическую конструкцию, позволяющую при транспортировке уменьшать его габариты. Коаксиальный фидер 2 имеет волновое сопротивление Z_o=50 Ом. Фидер 2 имеет произвольную длину, которая определяется только расстоянием от антенны до приемопередатчика. Запирающий цилиндр 3 имеет трубчатую форму, выполнен из латуни или меди и надет с зазором на внешний проводник 5 коаксиального фидера 2. Он имеет гальванический контакт с внешним проводником 5 коаксиального фидера 2 у основания вибратора 1.

Внутренний диаметр запирающего цилиндра 3 произволен, а его длина l_ц выбрана из соотношения l_ц=(0.18...0.20)λ.

Внутренний проводник 6 коаксиального фидера 2 подключен через конический переход к основанию вибратора 1 в точке 7. К этой же точке 7 подключен внутренний проводник 8 короткозамкнутого на конце 9 отрезка коаксиальной линии, который является реактивным шлейфом 4. Реактивный шлейф 4 имеет волновое сопротивление Z_ш=50 Ом. Длина l_ш реактивного шлейфа 4 выбрана из соотношения l_ш=(0.20...0.24)λ_ε, где λ_ε - длина волны в коаксиальной линии реактивного шлейфа с учетом диэлектрической проницаемости ε заполнителя.

Внешний проводник 10 коаксиальной линии реактивного шлейфа 4 соединен с внешним проводником 5 фидера 2 в точке 11 у основания вибратора 1. Реактивный шлейф 4 может располагаться ортогонально оси вибратора 1, как показано на фиг.1, или вдоль запирающего цилиндра 3.

Несимметричная вибраторная антенна в режиме передачи работает следующим образом. Энергия электромагнитных колебаний, генерируемых передатчиком, по коаксиальному фидеру 2 канализируется к точке 7 основания вибратора 1. Между точкой 7 и точкой 11 «нулевого» потенциала коаксиального фидера 2 возникает переменное напряжение, которое возбуждает ток на вибраторе 1. Кроме того, вследствие несимметричности питания вибратора 1, на внешней поверхности проводника 5 фидера 2 появляется ток, ответвляющийся с его внутренней поверхности. В предлагаемой конструкции несимметричной вибраторной антенны этот ток резко ослаблен, так как на его пути имеется запирающий цилиндр 3 в виде отрезка коаксиальной линии, образованной внутренней поверхностью цилиндра 3 и внешней поверхностью проводника 5 коаксиального фидера 2, закороченных у основания вибратора 1. Такой короткозамкнутый отрезок коаксиальной линии при длине l_кз=l_ц=(0.18...0.20)λ имеет высокое входное сопротивление, препятствующее затеканию тока на внешнюю поверхность проводника 5 коаксиального фидера 2. В результате существенно ослабляется антенный эффект коаксиального фидера. Это улучшает равномерность излучения антенны в горизонтальной плоскости, приближая форму диаграммы направленности к круговой, и уменьшает искажения диаграммы в вертикальной плоскости, увеличивая коэффициент усиления антенны в направлении горизонта. Кроме того, уменьшается реактивная составляющая входного сопротивления вибратора, что улучшает согласование антенны с фидером.

Экспериментально установлено, что вертикальный вибратор высотой h=(0.64...0.68)λ с запирающим цилиндром на питающем коаксиальном фидере, имеющем длину, лежащую в пределах l_ц=(0.18...0.20)λ, имеет активную составляющую входного сопротивления R_вх=52...60 Ом и реактивную составляющую Х_вх=-j(12...30) Ом. При этом реализуются значения КСВ_н=1.3...1.5.

Для дальнейшего улучшения согласования антенны с питающим фидером, имеющим волновое сопротивление Z_o=50 Ом, достаточно включить параллельно фидеру 2 в точках 7, 11 шунтирующую индуктивную проводимость, компенсирующую емкостную составляющую Х_вх входного сопротивления антенны. Это в заявленной антенне реализуется с помощью реактивного шлейфа 4, выполненного в виде короткозамкнутого отрезка коаксиальной линии, имеющей волновое сопротивление, равное волновому сопротивлению Z_o=50 Ом коаксиального фидера 2, и включенного в антенну, как показано на фиг.1. При длине l_ш=(0.20...0.24)λ короткозамкнутый реактивный шлейф имеет входное сопротивление индуктивного характера.

Этого достаточно для компенсации емкостной составляющей входного сопротивления вибратора 1 X_вх=-j(12...30) Ом и, следовательно, обеспечения на его входе режима второго последовательного резонанса. Резонансная характеристика настройки антенны показана на фиг.3. На резонансной частоте размеры элементов антенны равны: h=0.68λ, l_ц=0.2λ, l_ш=0.2λ. При этом входные нормированные параметры и КСВ_н антенны составляют значения, равные: R_вх=1.02, X_вх=-j0.03, КСВ_н=1.02.

Полоса рабочих частот по уровню КСВ_н=2.0, определяемая отношением верхней частоты f_в к нижней частоте f_н, равна f_в/f_в=1.03.

Второй последовательный резонанс достигается также при размерах элементов антенны h=0.64λ, l_ц=0.18λ, l_ш=0.24λ со следующими значениями входных параметров и КСВ_н: R_вх=1.03, X_вх=-j0.08, КСВ_н=1.1.

Таким образом, за счет выбора размеров несимметричной вибраторной антенны в пределах соотношений h=(0.64...0.68)λ, l_ц=(0.18...0.20)λ, l_ш=(0.20...0.24)λ обеспечивается на ее входе режим второго последовательного резонанса с R_вх≈50 Ом, что улучшает согласование вибратора с коаксиальным фидером, имеющим волновое сопротивление Z_o=50 Ом.

Распределение амплитуды и фазы тока по длине вертикального вибратора высотой h=0.68λ, полученное в результате эксперимента, показано на фиг.2 (отсчет значений h ведется от вершины вибратора). Видно, что распределение амплитуды тока на вибраторе имеет приближенно вид стоячей волны с максимумами А(0.18λ)=1.0 на h=0.18λ и А(0.6λ)=0.52 на h=0.6λ и минимумами А(0)=0.38 на вершине вибратора и А(0.5λ)=0.2 на расстоянии h=0.5λ от вершины. Это указывает на интенсивное излучение вибратора на участке h=0...0.5λ.

Фазовое распределение имеет скачок фазы на h=0.5λ, в котором происходит изменение знака фазы. Это приводит к тому, что на оставшемся участке вибратора длиной 0.18λ появляется противофазный ток (четная полуволна тока), направление которого противоположно направлению протекания тока на участке вибратора h=0...0.5λ. В результате на основной и большей части вибратора (h=0...0.5λ) протекает синфазный ток (Φ≈+[45°...180°]), вызывающий излучение главных лепестков диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости. Противофазный ток, протекающий на меньшей части вибратора [h=(0.5...0.68)λ] и имеющий меньшую амплитуду в пучности, несколько ослабляет поле излучения основной части вибратора и вызывает появление боковых лепестков в вертикальной плоскости.

Экспериментально установлено также, что амплитуда тока на запирающем цилиндре 3 линейно уменьшается к концу цилиндра на 5...8 дБ по сравнению с током у основания вибратора (h=0.68λ). Амплитуда тока на внешнем проводнике 5 коаксиального фидера 2, измеренная на участке за запирающим цилиндром 3, вначале несколько возрастает, но везде на 1...20 дБ меньше амплитуды тока у основания вибратора 1. Это подтверждает факт существенного ослабления антенного эффекта фидера в заявленной конструкции несимметричной вибраторной антенны.

Сказанное выше подтверждается результатами измерения диаграмм направленности антенны в вертикальной (пл. Е) и горизонтальной (пл. Н) плоскостях, которые представлены на фиг.4-5. Из них следует, что угол места максимумов главных лепестков диаграммы направленности в вертикальной плоскости составляет 10°. В максимуме главных лепестков коэффициент усиления антенны равен G_m=6.25 дБ, в направлении горизонта - G_г=5.25 дБ. Для значения h=0.64λ эти значения составляют: G_m=8.2 дБ, G_г=7.2 дБ.

Таким образом, выполнение несимметричной вибраторной антенны согласно изобретению позволяет также увеличить коэффициент усиления антенны по сравнению с четвертьволновым вибратором над идеально проводящим экраном в направлении горизонта не менее чем на ΔG_г=5.25-1.9=3.35 дБ, а под малыми углами места

В горизонтальной плоскости (пл. Н) диаграмма направленности антенны (фиг.5) имеет форму, близкую к круговой. Неравномерность диаграммы не превышает 0.6 дБ в пределах 360°.

Выполнение несимметричной вибраторной антенны в виде вертикального вибратора высотой h=(0.64...0.68)λ, подключенного к внутреннему проводнику питающего коаксиального фидера, на внешний проводник которого с зазором надет запирающий цилиндр длиной l_ц=(0.18...0.20)λ, закороченный с внешним проводником у основания вибратора, и введение в антенну реактивного шлейфа в виде отрезка коаксиальной линии, подключенного параллельно фидеру и имеющего длину l_ш=(0.20...0.24)λ, позволяет улучшить согласование вертикального вибратора с коаксиальным фидером и увеличить коэффициент усиления антенны в направлении горизонта и под малыми углами места на 1.05...3.35 дБ.

Литература

1. Марков К.Т., Сазонов Д.М. Антенны, М., Энергия, 1975 г., стр.342.

2. Ротхаммель К., Антенны, т.2, Минск, 2001 г., стр.103.

3. Mitsumo Taguchi and other. Sleeve antenna with ground wires. IEEE Trans on Antennas and Propagat., v.39, №1, January 1991, p.5.

Несимметричная вибраторная антенна, содержащая вертикальный вибратор, коаксиальный фидер, внутренний проводник которого подключен к основанию вертикального вибратора, и запирающий цилиндр, надетый с зазором на внешний проводник коаксиального фидера и соединенный с ним у основания вертикального вибратора, отличающаяся тем, что введен реактивный шлейф, выполненный в виде короткозамкнутого отрезка коаксиальной линии, имеющей волновое сопротивление, равное волновому сопротивлению коаксиального фидера, подключенного параллельно коаксиальному фидеру у основания вертикального вибратора, при этом размеры вертикального вибратора, реактивного шлейфа и запирающего цилиндра выбраны из соотношений: высота вертикального вибратора (0,64-0,68)λ, длина реактивного шлейфа (0,2-0,24)λ_ε, длина запирающего цилиндра (0,18-20)λ, где λ - рабочая длина волны; λ_ε - длина волны в коаксиальной линии реактивного шлейфа с учетом диэлектрической проницаемости ε заполнителя.