Коническая ультракоротковолновая антенна

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для использования в качестве приемной и/или передающей антенны совместно с широкодиапазонными УКВ радиостанциями. Технический результат - формирование равномерной диаграммы направленности в меридиональной плоскости и снижение электрических размеров антенны при сохранении качества согласования в области низких частот. Коническая УКВ антенна, размещенная в диэлектрическом радиопрозрачном обтекателе 6, состоит из полого металлического конуса (ПМК) 1 высотой Н с углом при вершине α и диаметром раскрыва D_k. ПМК 1 установлен вертикально над проводящей поверхностью 4 и обращен к ней вершиной. В плоскости раскрыва ПМК 1 симметрично относительно его оси размещена плоская однозаходная спираль (ПОЗС) 2 с внешним диаметром D_c. Вдоль провода внешнего витка ПОЗС 2 подключены равномерно n проводников, другие концы которых подключены к внутренней поверхности ПМК 1 у его вершины. Коаксиальный фидер 5 подключен центральным проводником к вершине ПМК 1, а экранной оболочкой к проводящей поверхности 4. Приведены оптимальные размеры и соотношения электрических размеров антенны. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антенной технике, и, в частности, коническая ультракоротковолновая (УКВ) антенна может быть использована в качестве приемной и/или передающей УКВ антенны совместно с широкодиапазонными УКВ радиостанциями.

Известна широкополосная антенна по патенту РФ №2084993, опубл. 20.07.1997 г. Антенна-аналог состоит из металлического конуса, установленного вертикально над противовесом в виде металлического диска, и обращенного к нему вершиной, емкостных выступов, штырей, коаксиального фидера, подключенного центральным проводником к вершине конуса, а экранной оболочкой к противовесу. Кроме того, антенна снабжена шунтирующими штырями.

Недостатком аналога является относительно малый диапазон рабочих частот антенны и практически полное отсутствие излучения вдоль оси антенны.

Известна также ненаправленная широкополосная антенна по патенту Франции №2246090, опубл. 25.04.1975 г. Аналог состоит из биконического вибратора. К основанию каждого из конусов подключены логоспиральные проводники. Коаксиальный фидер подключен центральным проводником к вершине одного из конусов, а экранной оболочкой к вершине другого конуса.

Недостатком данного аналога является низкий уровень излучения электромагнитного поля вдоль оси биконического излучателя.

Наиболее близким аналогом (прототипом) по своей технической сущности к заявленной антенне является известная широкополосная антенна по патенту РФ №2207673, опубл. 27.06.2003 г. Антенна-прототип состоит из полого металлического конуса (ПМК), расположенного над его вершиной параллельно основанию проводника в форме однозаходной спирали, и коаксиального фидера, подключенного к ПМК.

Недостатками ближайшего аналога являются:

глубокий провал диаграммы направленности (ДН) в секторе углов, примыкающих к продольной оси антенны, что снижает энергетический потенциал радиолинии при работе с неориентированным в пространстве корреспондентом;

относительно большие электрические размеры антенны в области низких частот, что ограничивает ее применение на подвижных объектах, в случае жестких массогабаритных ограничений, накладываемых на конструкцию антенны.

Целью изобретения является разработка конической УКВ антенны, обеспечивающей формирование более равномерной ДН в меридиальной плоскости излучателя и снижение электрических размеров антенны при сохранении качества согласования в области низких частот.

Поставленная цель достигается тем, что в известной конической УКВ антенне, содержащей ПМК высотой Н, с углом при вершине α и диаметром раскрыва D_k, плоскую однозаходную спираль (ПОЗС) с внешним диаметром D_c и коаксиальный фидер, подключенный к ПМК, ПМК установлен вертикально над проводящей поверхностью и обращен к ней вершиной. ПОЗС установлена в плоскости раскрыва ПМК и подключена к внутренней поверхности ПМК с помощью n≥2 проводников. Каждый проводник одним концом электрически подключен к внешнему витку ПОЗС, а другим к внутренней поверхности ПМК у его вершины. Центральный проводник коаксиального фидера подключен к вершине ПМК, а его экранная оболочка к проводящей поверхности. Точки подключения n проводников к внешнему витку ПОЗС разнесены по длине витка спирали равномерно с равными интервалами.

Высота Н ПМК выбрана из условия Н≥0,18λ_max, где λ_max - наибольшая длина волны рабочего диапазона волн, а угол при вершине α=60°-90°. Соотношение диаметра D_k раскрыва ПМК и внешнего диаметра D_c ПОЗС выбрано в интервале D_k/D_c=(1,6-2,0)/

Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленной антенне за счет протекания тока проводимости по виткам ПОЗС обеспечивается излучение электромагнитного поля (ЭМП) в направлении оси ПМК, т.е. формируется более равномерная ДН в меридиальной плоскости. Кроме того, благодаря удлинению пути протекания тока проводимости по внутренней поверхности ПМК и проводникам, подключенным к ПОЗС достигается «удлинение» ПМК и, следовательно, возможность работы с требуемым качеством согласования в области более низких частот или на неизменной минимальной частоте при меньших электрических размерах.

Заявленная антенна поясняется чертежами, на которых показано:

на фиг.1 - общий вид антенны;

на фиг.2 - рисунок, поясняющий принцип работы антенны;

на фиг.3 - результаты измерений качества согласования - КБВ;

на фиг.4 - результаты измерения ДН/

Заявленная коническая ультракоротковолновая антенна, показанная на фиг.1, состоит из ПМК 1 высотой Н с углом при вершине α и диаметром раскрыва D_k. ПМК 1 установлен вертикально над проводящей поверхностью 6 и обращен к ней вершиной. В плоскости раскрыва ПМК 1 симметрично относительно его оси размещена ПОЗС 2 (см. также фиг.16) с внешним диаметром D_c. Вдоль провода внешнего витка ПОЗС 2 подключены равномерно по длине витка спирали n проводников 3, вторые концы которых подключены к внутренней поверхности ПМК 1 у его вершины. На фиг.1б показаны четыре проводника 3 с точками их подключения «а». ПОЗС 2 может быть реализована в виде Архимедовой спирали, длина которой описывается известным уравнением (см. например, Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. справочник по математике. - М.: «Наука», 1980. - с.184.)

Диаметр поперечного сечения проводников 3 выбирают из конструктивных соображений для достижения требуемой жесткости конструкции. При использовании антенны на законцовке элемента конструкции летательного аппарата (самолета, ракеты и т.п) антенну размещают в диэлектрический радиопрозрачный обтекатель 4. Коаксиальный фидер 5 подключен центральным проводником к вершине ПМК 1, точка «с», а экранной оболочкой к проводящей поверхности 6 (точки «к»).

Заявленная антенна работает следующим образом. При подаче с помощью фидера 5 возбуждающей ЭДС к точкам «с»-«к» высокочастотный (в.ч.) ток проводимости I_пр протекает по внешней поверхности ПМК 1 (см. фиг.2), затем по его внутренней поверхности, далее по проводникам 3 и затем от точек «а» (см. фиг.1б) по виткам ПОЗС 2. От конца внутреннего витка ПОЗС 2 (точка «б») в.ч. ток смещения I_см далее переходит в ток проводимости I_пр, протекающий по проводящей поверхности 6 к точкам «к». Таким образом, в антенне благодаря ее конструктивной схеме существенно увеличивается путь тока проводимости, что эквивалентно подключению дополнительной емкостной нагрузки. В то же время такая возможность реализована без нарушения (увеличения) профиля и габаритов ПМК 1. Протекание в.ч. тока проводимости по виткам ПОЗС 2 обусловливает излучение антенной вращающегося электромагнитного поля в направлении нормали к плоскости ПОЗС 2, т.е. вдоль оси ПМК 1.

Формирование эквивалентной емкости нагрузки указывает на возможность снижения электрических размеров антенны в области низких частот.

Численные значения конструктивных параметров антенны, при которых достигается указанный технический результат, были определены экспериментально и составили:

Н≥0,18 λ_max; α=60°-90°; соотношение D_k/D_c=(1,6-2,0); диаметр проводников 3 и провода ПОЗС 2 выбран в пределах 2-5 мм.

Оптимальными значениями указанных параметров для достижения сформулированного технического результата являются средние значения указанных интервалов значений параметров.

Проверка возможности достижения указанного технического результата была выполнена путем сравнительных измерений качества согласования (коэффициента бегущей волны - КБВ) и формы ДН заявленной антенны и проведена в следующих условиях:

для заявленной антенны:

λ_max=2,0 м; волновое сопротивление коаксиального фидера ρ_ф=50 Ом; Н=0,36 м; α=75°; D_k=0,56 м; D_c=0,31 м; диаметр проводников 3 и провода ПОЗС 2 выбран равным 2,5 мм;

для антенны-прототипа:

λ_max=2,0 м; волновое сопротивление коаксиального фидера ρ_ф=50 Ом; Н=0,36 м; α=75°; D_k=0,56 м

Результаты измерений, приведенные на фиг.3 (КБВ) и фиг.4 (ДН), дают основание для следующих выводов.

При равных высотах конических излучателей у заявленной антенны уровень КБВ≥0,4 обеспечивается, начиная с электрического размера Н/λ=0,18, у прототипа с электрического размера Н/λ=0,21. Следовательно, заявленная антенна при равных требованиях к качеству согласования (КБВ≥0,4) обладает на 15% меньшими электрическими размерами, чем у прототипа. При равных значениях λ_max во столько же раз заявленная антенна будет иметь меньшую физическую высоту.

Приведенные на фиг.4 результаты измерений ДН заявленной антенны подтверждают возможность более равномерного излучения в меридиальной плоскости, в том числе под углами, примыкающими к вертикальной оси антенны.

Полученные результаты измерений указывают на возможность достижения указанного технического результата при использовании заявленной антенны.

1. Коническая ультракоротковолновая (УКВ) антенна, содержащая полый металлический конус (ПМК) высотой Н и с углом при вершине α, плоскую однозаходную спираль с внешним диаметром D_c и коаксиальный фидер, подключенный к ПМК, отличающаяся тем, что ПМК установлен вертикально над проводящей поверхностью и обращен к ней вершиной, плоская однозаходная спираль установлена в плоскости раскрыва ПМК и подключена к внутренней поверхности ПМК с помощью n≥2 проводников, каждый из которых одним концом электрически подключен к внешнему витку плоской однозаходной спирали, а другим к внутренней поверхности ПМК у его вершины, причем центральный проводник коаксиального фидера подключен к вершине ПМК, а его экранная оболочка к проводящей поверхности.

2. Коническая УКВ антенна по п.1, отличающаяся тем, что точки подключения n проводников к внешнему витку плоской однозаходной спирали разнесены по длине витка равномерно.

3. Коническая УКВ антенна по п.1, отличающаяся тем, что высота ПМК выбрана из условия Н≥0,18λ_max, где λ_max - наибольшая длина волны рабочего диапазона волн.

4. Коническая УКВ антенна по п.1, отличающаяся тем, что угол α при вершине ПМК выбран в пределах α=60°-90°, а соотношение диаметра D_к раскрыва ПМК и внешнего диаметра D_c плоской однозаходной спирали выбрано в интервале D_к/D_c=(1,6-2,0).