Высокочастотная приемопередающая антенная система
Владельцы патента RU 2315401:
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (RU)
Изобретение относится к антенным системам и может использоваться в качестве приемной и передающей антенны для дальней и ближней связи в диапазоне коротких волн. Технический результат заключается в снижении максимального значения коэффициента стоячей волны напряжения со стороны выхода/входа приемопередающей антенной системы в диапазоне ее рабочих частот. Сущность изобретения состоит в том, что в высокочастотную приемопередающую антенную систему, содержащую два идентичных проволочных вибратора, расположенных наклонно к поверхности Земли и расходящихся между собой от их верхних к их нижним концам, каждый из которых состоит из N-проволочных отрезков и включенных между их концами (N-1)-электрических полосно-заграждающих фильтров, четыре орешковых изолятора, с которыми через их первые отверстия соединены верхние и нижние концы проволочных вибраторов, согласующее симметричное снижение, выполненное в виде отрезка неоднородной двухпроводной линии, в состав которого входят несколько поперечных диэлектрических фиксаторов и вход/выход которого соединен с верхними концами вибраторов, приборную часть коаксиального разъема, являющуюся выходом/входом антенной системы, симметрирующий трансформатор импедансов, симметричный вход/выход которого соединен с выходом/входом согласующего симметричного снижения, а его несимметричный выход/вход - с приборной частью коаксиального разъема, две верхние продольные диэлектрические шнуровые растяжки, первые концы которых соединены с верхними орешковыми изоляторами через их вторые отверстия, а вторые концы используются для закрепления верхних концов вибраторов на их верхней опоре, и две нижние продольные диэлектрические шнуровые растяжки, первые концы которых соединены с нижними орешковыми изоляторами через их вторые отверстия, а вторые концы используются для закрепления нижних концов вибраторов к их нижним опорам, введены 2(N-1)-дополнительных орешковых изоляторов, идентичных названным, 2(N-1)-проволочных колец, каждое из которых продето через одно отверстие каждого дополнительного орешкового изолятора, 2(N-1)-поперечных диэлектрических растяжек, на концах которых закреплены карабины, каждый из которых зацеплен за соответствующее проволочное кольцо своим крючком с пружинящей частью, соседние концы всех отрезков проволочных вибраторов пропущены через первые и вторые отверстия всех дополнительных орешковых изоляторов, обвиты вокруг частей проволочных отрезков, находящихся вблизи продольных концов орешковых изоляторов, и припаяны к этим частям, а электрические полосно-заграждающие фильтры размещены в герметичных корпусах и оканчиваются двумя гибкими выводами, которые, в свою очередь, оканчиваются двумя зажимами, гальванически соединенными с обвитыми частями отрезков проволочных вибраторов, находящихся возле продольных концов орешковых изоляторов, при этом расхождение вибраторов выполнено квазиэкспоненциальным. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к радиотехнике, конкретно - к антенным системам, и может использоваться в качестве приемной и передающей антенны для дальней и ближней связи в диапазоне коротких волн.
Известна антенна, содержащая два расположенных в одной плоскости неоднородных вибратора, каждый из которых выполнен в виде двух перфорированных сегментов [1]. Криволинейные части сегментов обращены друг к другу, линейные части сегментов расположены под острым углом. Начальные части вибраторов жестко закреплены в диэлектрической пластине. Между вибраторами образован плавно возрастающий от их начал к их концам зазор. Точки подсоединения симметричного фидера к вибраторам располагаются от их начал на расстоянии, не превышающем λмин/16, где λмин - минимальная рабочая длина антенны. Такая антенна используется в коротковолновой части метрового и в дециметровом диапазонах волн. Ее достоинством является относительно широкий диапазон рабочих частот, недостатком - невозможность использования в длинноволновой части коротковолнового (KB) диапазона из-за неприемлемых габаритов (так, при длине волны 160 м длина вибраторов должна составлять не менее 40 м).
Известна высокочастотная приемопередающая антенная система, содержащая два провода, расположенных наклонно к поверхности Земли и расходящихся между собой от их верхних к их нижним концам, электрические фильтры, включенные в разрывы обоих проводов, и две приборные части коаксиальных разъемов, соединенные с нижними концами проводов и образующие два входа/выхода антенной системы [2]. Приемные/излучающие части обоих проводов имеют разную длину, а все электрические фильтры - различные амплитудно-частотные характеристики. Такая антенная система, по существу, состоит из двух слабосвязанных посредством электромагнитного поля антенн, каждая из которых перекрывает отдельные участки общего диапазона рабочих частот антенной системы. При ее работе необходимо переключение антенн (описанная в [2] антенная система имеет шесть поддиапазонов, три из которых обеспечивает короткая антенна и три - длинная). Каждый провод такой антенной системы представляет собой как бы половину V-образной антенны, расположенной в свободном пространстве. Недостатком такой антенной системы является наличие в ней двух входов/выходов, обусловленных тем, что каждая из антенн работает на нескольких отдельных участках общего рабочего диапазона частот. Это усложняет схему коммутации сигналов между антенной системой и приемным и передающим устройствами.
Наиболее близкой к заявляемой антенной системе является высокочастотная приемопередающая антенная система, содержащая два идентичных проволочных вибратора, расположенных наклонно к поверхности Земли и линейно расходящихся между собой от их верхних к их нижним концам, каждый из которых состоит из N-проволочных отрезков и включенных между их концами (N-1)-электрических полосно-заграждающих фильтров, четыре орешковых изолятора, с которыми через их первые отверстия соединены верхние и нижние концы проволочных вибраторов, согласующее симметричное снижение, выполненное в виде отрезка неоднородной двухпроводной линии, в состав которого входят несколько поперечных диэлектрических фиксаторов и вход/выход которого соединен с верхними концами вибраторов, приборную часть коаксиального разъема, являющуюся выходом/входом антенной системы, симметрирующий трансформатор импедансов, симметричный вход/выход которого соединен с выходом/входом согласующего симметричного снижения, а его несимметричный выход/вход - с приборной частью коаксиального разъема, две верхние продольные диэлектрические шнуровые растяжки, первые концы которых соединены с верхними орешковыми изоляторами через их вторые отверстия, а вторые концы используются для закрепления верхних концов вибраторов на их верхней опоре, и две нижние продольные диэлектрические шнуровые растяжки, первые концы которых соединены с нижними орешковыми изоляторами через их вторые отверстия, а вторые концы используются для закрепления нижних концов вибраторов к их нижним опорам [3].
Достоинством антенной системы-прототипа является широкий диапазон рабочих частот и узкая диаграмма направленности, недостатком - значительный коэффициент стоячей волны со стороны ее выхода/входа (со стороны приборной части коаксиального разъема) из-за линейного расхождения вибраторов. Значение коэффициента стоячей волны напряжения КCTU на отдельных частотах диапазона 1,5-30 МГц антенной системы-прототипа достигает 3,9.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое решение, - снижение максимального значения коэффициента стоячей волны напряжения со стороны выхода/входа приемопередающей антенной системы в диапазоне ее рабочих частот.
Это достигается тем, что в высокочастотную приемопередающую антенную систему, содержащую два идентичных проволочных вибратора, расположенных наклонно к поверхности Земли и расходящихся между собой от их верхних к их нижним концам, каждый из которых состоит из N-проволочных отрезков и включенных между их концами (N-1)-электрических полосно-заграждающих фильтров, четыре орешковых изолятора, с которыми через их первые отверстия соединены верхние и нижние концы проволочных вибраторов, согласующее симметричное снижение, выполненное в виде отрезка неоднородной двухпроводной линии, в состав которого входят несколько поперечных диэлектрических фиксаторов и вход/выход которого соединен с верхними концами вибраторов, приборную часть коаксиального разъема, являющуюся выходом/входом антенной системы, симметрирующий трансформатор импедансов, симметричный вход/выход которого соединен с выходом/входом согласующего симметричного снижения, а его несимметричный выход/вход - с приборной частью коаксиального разъема, две верхние продольные диэлектрические шнуровые растяжки, первые концы которых соединены с верхними орешковыми изоляторами через их вторые отверстия, а вторые концы используются для закрепления верхних концов вибраторов на их верхней опоре, и две нижние продольные диэлектрические шнуровые растяжки, первые концы которых соединены с нижними орешковыми изоляторами через их вторые отверстия, а вторые концы используются для закрепления нижних концов вибраторов к их нижним опорам, введены 2(N-1)-дополнительных орешковых изоляторов, идентичных названным, 2(N-1)-проволочных колец, каждое из которых продето через одно отверстие каждого дополнительного орешкового изолятора, (N-1)-поперечных диэлектрических растяжек, на концах которых закреплены карабины, каждый из которых зацеплен за соответствующее проволочное кольцо своим крючком с пружинящей частью, открывающейся вовнутрь, соседние концы всех отрезков проволочных вибраторов пропущены через первые и вторые отверстия всех дополнительных орешковых изоляторов, обвиты вокруг частей проволочных отрезков, находящихся вблизи продольных концов орешковых изоляторов, и припаяны к этим частям, а электрические полосно-заграждающие фильтры размещены в герметичных корпусах и оканчиваются двумя гибкими выводами, которые, в свою очередь,оканчиваются двумя зажимами, гальванически соединенными с обвитыми частями отрезков проволочных вибраторов, находящимися возле продольных концов орешковых изоляторов, при этом расхождение вибраторов выполнено квазиэкспоненциальным.
В частном случае диэлектрические фиксаторы выполнены из двух соединенных между собой пластин, имеющих четное число идентичных поперечных щелей, образующих после соединения пластин отверстия для закрепления в них проводов согласующего симметричного снижения, и два крепежных отверстия, расположенных возле их продольных торцов, через которые диэлектрические пластины соединяются между собой при помощи двух винтов и двух гаек.
В других частных случаях продольные и поперечные диэлектрические растяжки выполнены из капронового шнура, а отрезки проволочных вибраторов - из гибкого многопроволочного антенного канатика.
На фиг.1 изображена предлагаемая антенная система, на фиг.2 - конструкция поперечного диэлектрического фиксатора проводов симметричного согласующего снижения, на фиг.3 - расположение полос заграждения отдельных полосно-заграждающих фильтров на оси частот и на фиг.4 - теоретические зависимости от частоты коэффициента стоячей волны напряжения со стороны выхода/входа предлагаемой антенной системы и антенной системы-прототипа (антенной системы без поперечных диэлектрических шнуровых растяжек).
На фиг.1 обозначено: 1 - верхняя опора антенной системы (телескопическая мачта); 2 - нижняя опора вибратора; 3 - коаксиальный кабель; 4 - коаксиальный разъем; 5 - симметрирующий трансформатор импедансов; 6 - согласующее симметричное снижение; 7 - проволочный отрезок вибратора; 8 - орешковый изолятор, соединяющий два проволочных отрезка вибратора; 9 - нижний орешковый изолятор; 10 - верхний орешковый изолятор; 11 - верхняя продольная диэлектрическая шнуровая растяжка; 12 - нижняя продольная диэлектрическая шнуровая растяжка; 13 - электрический полосно-заграждающий фильтр; 14 - проволочное кольцо; 15 - поперечная диэлектрическая шнуровая растяжка; 16 - карабин; 17 - поперечный диэлектрический фиксатор проводов согласующего симметричного снижения; 18 - отверстия для закрепления проводов согласующего симметричного снижения.
Приемопередающая часть антенной системы, изображенной на фиг.1, содержит два идентичных проволочных вибратора, состоящих из шести пар проволочных отрезков 7 (длина проводов в каждой паре отрезков одинакова). Проволочные отрезки 7 соединены между собой при помощи орешковых изоляторов 8, имеющих два поперечных ортогональных отверстия и две пары продольных канавок. Нижние орешковые изоляторы 8 связывают нижние проволочные отрезки 7 с нижними продольными диэлектрическими шнуровыми растяжками 11, а верхние орешковые изоляторы 10 - верхние проволочные отрезки 7 с верхними продольными диэлектрическими шнуровыми растяжками 12, закрепленными на верхней опоре 1. Между концами проволочных отрезков 7, закрепленных в орешковых изоляторах 8, включены электрические полосно-заграждающие фильтры (всего 10 штук). В отверстиях орешковых изоляторов 8 размещены проволочные кольца 14. Между проволочными вибраторами расположены пять поперечных диэлектрических шнуровых растяжек 15, оканчивающихся с обеих сторон карабинами 16, которые закреплены за соответствующие проволочные кольца 14 своими крючками с пружинящей частью. Проволочные вибраторы расходятся по квазиэкспоненциальному закону (квазиэкспоненциальная линия образована из шести пар проволочных отрезков, провода каждого из которых расходятся по линейному закону).
Согласующее симметричное снижение 6 выполнено в виде отрезка неоднородной двухпроводной линии, провода которой расходятся от ее нижних к ее верхним концам. Верхние концы проводов согласующего симметричного снижения 6 соединены с верхними концами проволочных вибраторов, а его нижние концы - с симметричным входом/выходом симметрирующего трансформатора 5. Несимметричный выход/вход симметрирующего трансформатора импедансов 5 соединен с приборной частью коаксиального разъема 4, с которой, в свою очередь, соединен отрезок кабеля 3 через кабельную часть разъема 4. Приборная часть разъема 4 является выходом/входом приемопередающей антенной системы. Поперечные диэлектрические фиксаторы 17 фиксируют нужные расстояния между проводами согласующего симметричного снижения 6.
Поперечный диэлектрический фиксатор 17 (фиг.2) содержит две пластины, соединенные между собой при помощи двух винтов и двух гаек. Обе пластины имеют четное число идентичных поперечных щелей, образующих после соединения пластин отверстия 18 для закрепления в них проводов согласующего симметричного снижения 6. В согласующем симметричном снижении используются фиксаторы, имеющие разную длину пластин и разное расстояние между отверстиями.
Пять пар электрических фильтров 13 образуют полосы заграждения в пяти поддиапазонах частот: f1-f2, f2-f3, f3-f4, f4-f5 и f5-f6 (фиг.3). Ослабление сигналов в полосах заграждения фильтров превышает 30 дБ.
Предлагаемая антенная система работает следующим образом.
В поддиапазоне частот, нижняя частота fн которого равна нижней рабочей частоте антенной системы, а верхняя - частоте, с которой начинается заметный рост ослабления сигналов нижней пары фильтров 13, все проволочные отрезки 7 обоих вибраторов участвуют в приеме или передаче сигналов. В поддиапазоне f1-f2 нижняя пара фильтров «отключает» нижние проволочные отрезки вибраторов, и электрические длины вибраторов уменьшаются. В поддиапазонах f2-f3, f3-f4, f4-f5 и f5-f6 пары последующих фильтров (отсчитывая их с нижней пары) последовательно «отключают» соединенные с ними нижние пары проволочных отрезков. В поддиапазоне частот, верхняя частота fв которого равна верхней рабочей частоте антенной системы, а нижняя частота - частоте, ниже которой начинается заметный рост ослабления верхней пары фильтров 13, работает только верхняя пара проволочных отрезков 7. Другими словами, каждому поддиапазону рабочих частот антенной системы соответствуют различные длины приемопередающих участков вибраторов, отсчитываемых от верхних орешковых изоляторов 10 (от мест соединения вибраторов с согласующим симметричным снижением 6).
Были рассчитаны зависимости коэффициентов стоячей волны напряжения КCTU вых/вх антенной системы-прототипа и предлагаемой антенной системы в диапазоне частот 1,5-30 МГц. Каждая антенная система содержала шесть пар проволочных отрезков вибраторов, пять пар электрических полосно-заграждающих фильтров и пять поперечных диэлектрических фиксаторов. В предлагаемой антенной системе, кроме того, использовались пять поперечных диэлектрических растяжек, позволяющих создать квазиэкспоненциальное расхождение вибраторов. Результаты расчетов представлены на фиг.4. Как следует из приведенных на этой фигуре зависимостей, КCTU вых/вх предлагаемой антенной системы не превышает 2,8 в указанном диапазоне частот, а КCTU вых/вх антенной системы-прототипа не превышает 3,9.
Предлагаемая антенная система допускает настройку КCTU вых/вх во всем ее рабочем диапазоне частот путем изменения длины поперечных диэлектрических шнуровых растяжек и расстояний между проводами согласующего симметричного снижения, а также путем введения проводов в другие отверстия поперечных диэлектрических фиксаторов и перемещения этих фиксаторов вдоль согласующего снижения. В предлагаемой антенной системе возможно, в частности, получение малых значений КCTU вых/вх в диапазонах рабочих частот радиопередающих устройств (за счет некоторого увеличения КCTU вых/вх в диапазоне рабочих частот радиоприемных устройств), что увеличивает коэффициент полезного действия радиопередающих систем.
По отношению к прототипу предлагаемая антенная система имеет лучшее согласование со стороны выхода/входа во всем рассматриваемом диапазоне рабочих частот.
Источники информации, использованные при составлении описания изобретения
1. Вершинин И.М., Малютин Н.Д. Широкополосные вибраторно-щелевые антенны. Материалы Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 40-летию Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники "Проблемы современной радиоэлектроники и систем управления". 2-4 октября 2002 г. Томск: Изд-во Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, 2002. T.1. С.108-111.
2. Reuster D.D., Cybert K.J. A High-Efficiency Broadband HF Wire - Antenna System // IEEE Antenas and Propagation Magazine, 2000, V.42, №4, P.53-61.
3. Пат. РФ №2262783, МПК 7 H01Q 9/44. Высокочастотная приемопередающая антенная система. Малютин Н.Д., Рыбин А.П., Перевалов Н.Я., Федоров А.Е. Опубл. 20.10.2005. Бюл. №29 - прототип.
1. Высокочастотная приемопередающая антенная система, содержащая два идентичных проволочных вибратора, расположенные наклонно к поверхности Земли и расходящиеся между собой от их верхних к их нижним концам, каждый из которых состоит из N-проволочных отрезков и включенных между их концами (N-1)-электрических полосно-заграждающих фильтров, четыре орешковых изолятора, с которыми через их первые отверстия соединены верхние и нижние концы проволочных вибраторов, согласующее симметричное снижение, выполненное в виде отрезка неоднородной двухпроводной линии, в состав которого входят несколько поперечных диэлектрических фиксаторов и вход/выход которого соединен с верхними концами вибраторов, приборную часть коаксиального разъема, являющуюся выходом/входом антенной системы, симметрирующий трансформатор импедансов, симметричный вход/выход которого соединен с выходом/входом согласующего симметричного снижения, а его несимметричный выход/вход - с приборной частью коаксиального разъема, две верхние продольные диэлектрические шнуровые растяжки, первые концы которых соединены с верхними орешковыми изоляторами через их вторые отверстия, а вторые концы используются для закрепления верхних концов вибраторов на их верхней опоре, и две нижние продольные диэлектрические шнуровые растяжки, первые концы которых соединены с нижними орешковыми изоляторами через их вторые отверстия, а вторые концы используются для закрепления нижних концов вибраторов к их нижним опорам, отличающаяся тем, что в ее состав введены 2(N-1)-дополнительных орешковых изоляторов, идентичных названым, 2(N-1)-проволочных колец, каждое из которых продето через одно отверстие каждого дополнительного орешкового изолятора, (N-1)-поперечных диэлектрических растяжек, на концах которых закреплены карабины, каждый из которых зацеплен за соответствующее проволочное кольцо своим крючком с пружинящей частью, открывающейся вовнутрь, соседние концы всех отрезков проволочных вибраторов пропущены через первые и вторые отверстия всех дополнительных орешковых изоляторов, обвиты вокруг частей проволочных отрезков, находящихся вблизи продольных концов орешковых изоляторов, и припаяны к этим частям, а электрические полосно-заграждающие фильтры размещены в герметичных корпусах и оканчиваются двумя гибкими выводами, которые в свою очередь оканчиваются двумя зажимами, гальванически соединенными с обвитыми частями отрезков проволочных вибраторов, находящихся возле продольных концов орешковых изоляторов, при этом расхождение вибраторов выполнено квазиэкспоненциальным.
2. Антенная система по п.1, отличающаяся тем, что диэлектрические фиксаторы выполнены из двух соединенных между собой пластин, имеющих четное число поперечных идентичных щелей, образующих после соединения пластин отверстия для закрепления в них проводов согласующего симметричного снижения, и два крепежных отверстия, расположенных возле их продольных торцов, через которые диэлектрические пластины соединяются между собой при помощи двух винтов и двух гаек.
