Антенна

Изобретение относится к области радиотехники. Техническим результатом является уменьшение высоты (длины) и упрощение конструкции. Указанный технический результат достигается тем, что антенна содержит емкостной элемент и индуктивный элемент, соединенные последовательно и выполненные соответственно в виде двух отрезков линии с распределенными параметрами. Внутренний проводник коаксиальной линии предназначен для подсоединения между емкостным элементом и индуктивным элементом. Наружный проводник коаксиальной линии предназначен для подсоединения к свободному концу отрезка линии индуктивного элемента. Электрическая длина l₁ отрезка линии индуктивного элемента до места подсоединения внутреннего проводника коаксиальной линии и электрическая длина l₂ отрезка линии емкостного элемента от свободного ее конца до места подсоединения внутреннего проводника коаксиальной линии связаны соотношением l₂-l₁≅λ₀/4, где λ₀ - средняя рабочая длина волны. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в антенно-фидерных устройствах, преимущественно когда приемопередатчик установлен на мобильном объекте, например автомобиле, судне и т.п. Изобретение может быть использовано при работе в диапазоне волн, где длина рабочей волны большая относительно размеров антенны.

Практика использования средств радиосвязи, особенно тех, которые размещаются на подвижных объектах наземного, морского и воздушного типов или потребителями которых являются непосредственно перемещающиеся люди, постоянно испытывает потребность в уменьшении размеров антенны в сопоставлении со средней рабочей длиной волны λ₀.

Теория о построении антенн трактует вопрос об их размерах однозначно: длина L излучателя или его высота h должна быть, по крайней мере, близка к L≅λ₀/4. С уменьшением мощности, развиваемой передатчиком на выходе, квадратично убывает R_∑ - сопротивление излучения антенны по мере уменьшения длины ее проводников, а входное сопротивление антенны вырождается в реактивность.

Например, известные петлевые антенны имеют достаточно большую высоту (Айзенберг Г.З. и др. Коротковолновые антенны. М.: Радио и связь, 1985).

В настоящее время, по сведению заявителя, наименьшее значение отношения h/λ₀≅1/24 имеет антенна, выполненная по патенту РФ на изобретение №2231179 (Патент РФ №2231179, H01Q 7/00, опубл. 20.06.2004).

В этом техническом решении антенна содержит отрезок коаксиального кабеля, с одного конца которого центральный проводник предназначен для подключения к генератору или приемнику, а с другого конца которого оплетка предназначена для подключения к электропроводному основанию. Часть отрезка коаксиального кабеля выполнена в форме петли, расположенной в плоскости, параллельной электропроводному основанию. Концы петли загнуты и ортогональны электропроводному основанию. При этом две части отрезка коаксиального кабеля между петлей и ее загнутыми концами расположены в плоскости петли с обеспечением расположения загнутых концов вдоль продольной оси петли внутри нее.

Ограничением известного устройства является достаточно сложная петлевая конструкция и практическая невозможность получения соотношений для h/λ₀ более 1/25.

Для заявленного технического решения наиболее близкой является антенна, содержащая емкостной элемент, индуктивный элемент, соединенные последовательно и выполненные соответственно в виде двух отрезков линии с распределенными параметрами, при этом внутренний проводник коаксиальной линии предназначен для подсоединения между емкостным элементом и индуктивным элементом (Патент США №4730195, H01Q 1/36, опубл. 08.03.1988).

В этом устройстве параллельно емкостному элементу подсоединен еще один элемент - дополнительная индуктивность, образующая с емкостным элементом параллельный контур. Параллельный контур подсоединен последовательно к индуктивному элементу, а наружный проводник коаксиальной линии предназначен для подсоединения к свободному концу параллельного контура.

Как следует из описания к патенту, в известном техническом решении не удается значительно уменьшить длину L (или высоту h) антенны. Кроме того, как следует из описания и заметно из представленных в этом патенте фигур, при практической реализации антенна имеет достаточно сложную конструкцию.

Решаемая изобретением задача - улучшение технико-эксплуатационных характеристик.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, - уменьшение высоты антенны и упрощение ее конструкции.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известной антенне, содержащей емкостной элемент, индуктивный элемент, соединенные последовательно и выполненные соответственно в виде двух отрезков линии с распределенными параметрами, при этом внутренний проводник коаксиальной линии предназначен для подсоединения между емкостным элементом и индуктивным элементом, согласно изобретению наружный проводник коаксиальной линии предназначен для подсоединения к свободному концу отрезка линии индуктивного элемента, электрическая длина l₁ отрезка линии индуктивного элемента до места подсоединения внутреннего проводника коаксиальной линии и электрическая длина l₂ отрезка линии емкостного элемента от свободного ее конца до места подсоединения внутреннего проводника коаксиальной линии связаны соотношением l₂-l₁≅λ₀/4, где λ₀ - средняя рабочая длина волны.

Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:

- емкостной элемент был выполнен из дисков, электропроводных и подковообразных, с радиальным промежутком между двумя краями для каждого диска и установленных в ряд, при этом край одного диска перемычкой (электропроводной) подсоединен к краю смежного диска, а перемычки вдоль ряда расположены с обеспечением электрического соединения противоположных краев относительно продольной оси смежных дисков в одном направлении;

- были введены диэлектрические шайбы, установленные между дисками;

- индуктивный элемент был выполнен из провода в виде катушки;

- диски и катушка были расположены на одной продольной оси, а наружный диаметр катушки был выбран большим, чем наружный диаметр дисков;

- был введен диэлектрический каркас, выполненный Т-образным, а диски, диэлектрические шайбы и катушка были расположены на нем снаружи;

- был введен диэлектрический обтекатель, установленный снаружи дисков и катушки и соединенный с диэлектрическим каркасом.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются лучшим вариантом его выполнения со ссылками на прилагаемые фигуры.

Фиг.1 изображает электрическую схему заявленного технического решения;

Фиг.2 - схематично заявленное устройство, выполненное по электрической схеме на фиг.1, с подсоединением токопроводящих элементов;

Фиг.3 - конструкцию подковообразного диска на фиг.2;

Фиг.4 - конструкцию технически реализованного устройства (без подключения коаксиального кабеля).

Антенна (фиг.1) содержит емкостной элемент 1 и индуктивный элемент 2, соединенные последовательно и выполненные соответственно в виде двух отрезков линии с распределенными параметрами. Внутренний проводник 3 коаксиальной линии 4 предназначен для подсоединения к месту (к точке А) между емкостным элементом 1 и индуктивным элементом 2.

Наружный проводник 5 коаксиальной линии 4 (фиг.1) предназначен для подсоединения к свободному концу отрезка линии индуктивного элемента 2 (заземленному через корпус или наружный проводник 5 коаксиальной линии 4) - к точке В. Электрическая длина l₁ отрезка линии индуктивного элемента 2 до места подсоединения внутреннего проводника 3 коаксиальной линии 4 и электрическая длина l₂ отрезка линии емкостного элемента 1 от свободного ее конца до места подсоединения внутреннего проводника 3 коаксиальной линии 4 связаны соотношением l₂-l₁≅λ₀/4, где λ₀ - средняя рабочая длина волны.

Емкостной элемент 1 (фиг.2, 3, 4) может быть выполнен из дисков 6 - пластин из латуни или меди. Каждый из дисков 6 выполнен электропроводным и подковообразным, с радиальным промежутком между двумя его краями Диски 6 установлены в ряд, при этом край одного диска 6 перемычкой 7 (электропроводной лентой или проводом) подсоединен к краю смежного диска 6. Перемычки 7 вдоль ряда расположены с обеспечением электрического соединения противоположных краев С и D относительно продольной оси смежных дисков 6 в одном направлении (т.е. без скрещиваний, с током проводимости по винтовой кривой без смены направления -знака вращения).

В конструкцию могут быть введены диэлектрические шайбы 8 (фиг.4), установленные между дисками 6 и выполняющие функцию прокладок. Диэлектрические шайбы 8 могут быть выполнены, например, из пенопласта.

Индуктивный элемент 2 (фиг.2, 4) выполнен из провода, например медного, в виде катушки 9.

Диски 6 и катушка 9 расположены на одной продольной оси, а наружный диаметр D₁ катушки 9 выбран большим, чем наружный диаметр d дисков 6.

В конструкцию может быть введен диэлектрический каркас 10, выполненный Т-образным, а диски 6, диэлектрические шайбы 8 и катушка 9 расположены на нем снаружи (фиг.4).

Кроме того, может быть введен диэлектрический обтекатель 11 (радиопрозрачный), установленный снаружи дисков 6 и катушки 9, соединенный с диэлектрическим каркасом 10 (фиг.4). На фиг.4 также показана гайка-прижим 12 (диэлектрическая).

Работает антенна следующим образом.

При подаче ЭДС на точки А и В (фиг.1, 2) при выполнении соотношения l₂-l₁=λ₀/4, где λ₀ - средняя рабочая длина волны, ток, протекающий через емкостной элемент 1 и индуктивный элемент 2, становится согласованным в одном направлении от точки В до свободного конца емкостного элемента, что приводит к резонансу последовательного контура и обеспечивает согласование питающего фидера - коаксиального кабеля 4 с антенной.

Как показали экспериментальные исследования, при реализации антенны в виде последовательного контура происходит:

- отсечка фидерных токов, обычно приводящих к антенному эффекту при питании антенны коаксиальным кабелем 4 без применения симметрирующего устройства;

- «автоматическое» согласование с питающим коаксиальным кабелем 4 (конечно при наличии согласования этого фидера с выходом передатчика - генератора ЭДС);

- интенсивное излучение радиоволн в окружающее последовательный контур пространство;

- достигается минимальная высота h антенны и упрощение ее конструкции.

Специалистам понятно, что последовательный контур (фиг.1) конструктивно может быть реализован различным образом с помощью известных из уровня техники элементов.

На фиг.2, 4 показана конструкция, в которой емкостной элемент 1 (фиг.2, 3, 4) выполнен из дисков 6, а индуктивный элемент 2 - в виде катушки 9. Каждый из дисков 6 выполнен электропроводным и подковообразным (фиг.3). Диски 6 установлены в ряд. Край одного диска 6 перемычкой 7 подсоединен к краю смежного диска 6 (фиг.2). Перемычки 7 вдоль ряда расположены с обеспечением электропроводного соединения противоположных краев С и D относительно продольной оси смежных дисков 6 в одном направлении (точка D нижележащего диска 6 замкнута накоротко с точкой С вышележащего диска 6 для всех дисков 6, или, наоборот, точка С нижележащего диска 6 замкнута накоротко с точкой D вышележащего диска 6 для всех дисков 6, т.е. без пространственных скрещиваний). Для обеспечения удобства подсоединения коаксиального кабеля 4 и дополнительного уменьшения высоты h антенны диски 6 и катушка 9 расположены на одной продольной оси, а наружный диаметр D₁ катушки 9 выбран большим, чем наружный диаметр d дисков 6.

На фиг.4 показан сборочный чертеж без подсоединения коаксиального кабеля 4, показанного на фиг.3.

Сборка осуществляется на диэлектрическом каркасе 10, выполненном Т-образным, - цельным или разъемным, (например, опора для катушки 9 может быть выполнена в виде диэлектрического колпачка с центральным отверстием, сквозь которое проходит ножка «Т»). Ножка «Т» на фигуре 4 обращена вверх (хотя она может быть обращена и вниз). На полку Т-образного диэлектрического каркаса 10 медным проводом навивают катушку 9. Затем на ножку «Т» надевают диски 6, отделяя один от другого диэлектрическими шайбами 8 (прокладками). Диэлектрической гайкой-прижимом 12 стягивают диски 6 и диэлектрические шайбы 8. Соединение дисков 6 перемычками 7, а также соединение нижнего диска 6 и катушки 9 осуществляют в соответствии с фиг.3. Устанавливают диэлектрический обтекатель 11, который соединяют механически или клеем с диэлектрическим каркасом 10. Как видно из фигуры 4, антенна характеризуется существенной простотой, как конструктивной, так и сборочной.

Условие l₂-l₁≅λ₀/4 позволяет обеспечить h/λ₀→min. Знак ≅ относительно знака = выбран потому, что средняя рабочая длина волны λ₀ может отличаться от действительной на реальной частотной характеристике антенны (вследствие «паразитных» влияний, например таких, как неточность изготовления или влияния разводки коаксиального кабеля 4), но не более чем на 7%.

В варианте выполнения СМ-антенны (сверхмалой) удалось достичь:

h/λ₀=130 мм/11000 мм≅1/85. Такой баланс высоты и рабочей длины волны h/λ₀ получен для существующего уровня техники впервые, и заявителю не известны другие технические решения, обеспечивающие подобные соотношения. Это опровергает теоретические положения о том, что высота h антенны не может быть меньше, чем h<<λ₀/4;

- коэффициент стоячей волны (КСВ) в питающем фидере с волновым сопротивлением Z₀=50 Ом (коаксиальном кабеле 4) КСВ=1,2. Эта величина КСВ присуща обычным антеннам, но в заявленном техническом решении она достигается без использования специальных элементов согласования питающего фидера.

Таким образом, для технической реализации антенны существенными особенностями настоящего изобретения являются использование последовательного колебательного контура, описанная выше подводка питания к ней и применение указанного соотношения для l₁ и l₂.

Наиболее успешно заявленная антенна промышленно применима:

- на подвижных объектах связи, где ее малая высота необходима в силу функциональной специфики, присущей самому подвижному объекту;

- на стационарных объектах связи, где ее малая высота уменьшает эксплуатационные расходы и время, необходимые для изготовления, регламентных работ и ремонта самой антенны.

1. Антенна, содержащая емкостной элемент, индуктивный элемент, соединенные последовательно и выполненные соответственно в виде двух отрезков линии с распределенными параметрами, при этом внутренний проводник коаксиальной линии предназначен для подсоединения между емкостным элементом и индуктивным элементом, отличающаяся тем, что наружный проводник коаксиальной линии предназначен для подсоединения к свободному концу отрезка линии индуктивного элемента, электрическая длина l₁ отрезка линии индуктивного элемента до места подсоединения внутреннего проводника коаксиальной линии и электрическая длина l₂ отрезка линии емкостного элемента от свободного ее конца до места подсоединения внутреннего проводника коаксиальной линии связаны соотношением
l₂-l₁≅λ₀/4,
где λ₀ - средняя рабочая длина волны.

2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что емкостной элемент выполнен из дисков, электропроводных и подковообразных, с радиальным промежутком между двумя краями для каждого диска и установленных в ряд, при этом край одного диска подсоединен перемычкой к краю смежного диска, а перемычки вдоль ряда расположены с обеспечением электрического соединения противоположных краев относительно продольной оси смежных дисков в одном направлении, при этом индуктивный элемент выполнен из провода в виде катушки.

3. Антенна по п.2, отличающаяся тем, что введены диэлектрические шайбы, установленные между дисками.

4. Антенна по п.2, отличающаяся тем, что диски и катушка расположены на одной продольной оси, а наружный диаметр катушки выбран большим, чем наружный диаметр дисков.

5. Антенна по п.2, отличающаяся тем, что введен диэлектрический каркас, выполненный Т-образным, а диски и катушка расположены на нем снаружи.

6. Антенна по п.5, отличающаяся тем, что введен диэлектрический обтекатель, установленный снаружи дисков и катушки и соединенный с диэлектрическим каркасом.