Ненаправленная широкополосная антенна

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для использования в качестве приемной и/или передающей антенны совместно с широкополосными радиостанциями. Технический результат - расширение рабочего диапазона путем обеспечения функционирования антенны в диапазоне низких частот. Ненаправленная широкополосная антенна (ШПА) состоит из полого металлического конуса (ПМК) 1 высотой H_к и с углом α при вершине, конической спирали (КС) 2 с углом при вершине β и высотой H_c=H_к. ПМК 1 установлен вертикально над проводящей поверхностью 4 и обращен к ней вершиной. КС 2 установлена в полости ПМК 1 соосно с ним и подключена вершиной к внутренней полости ПМК 1 у его вершины. Коаксиальный фидер 3 подключен центральным проводником к вершине ПМК 1, а экранной оболочкой к проводящей поверхности 4. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антенной технике и, в частности, ненаправленная широкополосная антенна (ШПА) предназначена для использования в качестве приемной и/или передающей ультракоротковолновой (УКВ) антенны совместно с широкодиапазонными УКВ радиостанциями.

Известна УКВ ШПА 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 узкий диапазон рабочих частот и отсутствие излучения вдоль оси антенны.

Известна также ненаправленная ШПА по патенту Франции №2446090, 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 относительно узкий диапазон рабочих частот.

Наиболее близким аналогом (прототипом) по своей технической сущности к заявленной антенне является известная ШПА по патенту РФ №22007673, опубл. 27.06.2003 г. Антенна-прототип состоит из полого металлического конуса (ПМК) и расположенного над его вершиной параллельно плоскости основания проводника в форме однозаходной плоской спирали и коаксиального фидера, подключенного к ПМК.

Недостатком прототипа является относительно узкий диапазон рабочих частот, ограниченный в области низкочастотной части недопустимым ухудшением качества согласования (коэффициента бегущей волны - КБВ).

Целью изобретения является разработка ненаправленной в азимутальной плоскости широкополосной антенны, обеспечивающей расширение ее диапазона рабочих частот в область более низких частот без ухудшения качества согласования.

Поставленная цель достигается тем, что в известной ненаправленной ШПА, содержащей ПМК высотой H_к с углом при вершине α, спиральный проводник и коаксиальный фидер, подключенный к ПМК, ПМК установлен вертикально над проводящей поверхностью и обращен к ней вершиной. Спиральный проводник выполнен в форме конической спирали (КС) высотой H_c и с углом β при вершине. КС установлена в полости ПМК соосно с ним. Вершина КС подключена к внутренней поверхности ПМК у его вершины. Коаксиальный фидер подключен центральным проводником к вершине ПМК, а экранной оболочкой к проводящей поверхности.

Высота H_к ПМК выбрана из условия H_к≥0,16λ_max, где λ_max - наибольшая длина волны рабочего диапазона волн антенны. Высоты H_к и H_c равны, т.е. H_к=H_c. Углы при вершинах ПМК и КС выбраны в интервалах α=60°-90°; β=30°-40°.

Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленной антенне за счет внутренней поверхности ПМК и провода КС увеличивается путь протекания тока проводимости I_np, что эквивалентно использованию дополнительных проводов емкостной нагрузки, которые не нарушают общего профиля ПМК, и, в то же время обеспечивают его «удлинение», что указывает на возможность расширения диапазона рабочего диапазона антенны в область низких частот.

Заявленная антенна поясняется чертежами, на которых показаны:

на фиг.1 - общий вид антенны;

на фиг.2 - рисунок, поясняющий протекание высокочастотного тока в элементах антенны;

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

на фиг.4 - результаты измерений диаграмм направленности (ДН).

Заявленная ненаправленная ШПА, показанная на фиг.1, состоит из ПМК 1 высотой H_к и с углом при вершине α. ПМК 1 установлен вертикально над проводящей поверхностью 4 и обращен к ней вершиной, проводника в форме КС 2 с углом при вершине β и коаксиального фидера 3, подключенного центральным проводником к вершине ПМК 1 (точка «а»), а экранной оболочкой к проводящей поверхности 4 (точки «б»). Для предотвращения влияния гидрометеоров ШПА может быть помещена в радиопрозрачный обтекатель 5. КС 2 установлена в полость ПМК 1 соосно с ним и подключена вершиной к внутренней поверхности ПМК 1 у его вершины.

Высоту ПМК 1 выбирают с учетом требований по качеству согласования на наибольшей рабочей длине волны - λ_max. К данному классу антенн предъявляются требования по коэффициенту бегущей волны (КБВ) не ниже 0,4, т.е. КБВ≥0,4. Диаметр провода КС 2 выбирают из конструктивных соображений в пределах 2-5 мм.

Заявленная ШПА работает следующим образом. При подаче по фидеру 3 возбуждающей ЭДС к точкам «а» и «б» высокочастотный (в.ч.) ток проводимости I_np протекает (см. фиг.2) от точки «а» по внешней поверхности ПМК 1, затем по его внутренней поверхности и далее по проводу КС 2 до его конца (точка «с» на фиг.1), а затем переходит в ток смещения I_cм и далее в ток проводимости I_пр по проводящей поверхности 4, который замыкается на точки «б».

Таким образом, благодаря выбранной конструктивной схеме существенно увеличивается путь тока I_np, что эквивалентно включению в ШПА дополнительной емкостной нагрузки без изменения внешней конфигурации ПМК 1. В свою очередь это указывает на возможность «смещения» частотного диапазона антенны в область низких частот или, при равенстве низкочастотной границы диапазона, к снижению ее физических размеров (высоты) H_к.

Соотношения элементов конструкции ШПА, при которых достигается сформулированный технический результат, были определены экспериментально и составили: H_с=H_к; H_к≥0,16λ_max; α=60°-90°; β=20°-40°; соотношение диаметра раскрыва D_к ПМК 1 и диаметра D_c наибольшего витка КС 2 выбрано в интервале D_c=(0,5-0,6)D_к.

Число витков и шаг КС 2 выбирают, исходя из конструктивных соображений и из условия, что общая длина провода КС 2 составляет (1,5-2,0)H_к.

Оптимальными конструктивными параметрами заявленной ШПА являются средние значения указанных выше интервалов этих параметров.

Экспериментальная проверка возможности достижения указанного технического результата была выполнена путем сравнительных измерений качества согласования КБВ и ДН заявленной ШПА при следующих условиях:

Для заявленной ШПА: λ_max=1 м, волновое сопротивление фидера ρ_ф=50 Ом; H_c=H_к=160 мм; α=70°; β=25°; диаметр проводника КС 2 выбран равным 2 мм.

Для прототипа:

λ_max=1 м; ρ_ф=50 Ом; H_к=160 мм; α=70°.

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

При равных физических высотах заявленной ШПА и прототипа у заявленной антенны уровень КБВ≥0,4 обеспечивается, начиная с электрического размера H_к/λ=0,16, у прототипа с H_к/λ=0,25. Т.е. при равных требованиях по КБВ заявленная антенна обладает на 17% меньшими электрическими размерами, чем у прототипа.

Это указывает на расширение рабочего диапазона в сторону низких частот. Приведенные на фиг.4 результаты измерений ДН ШПА подтверждают возможность неискаженного формирования диаграммы, аналогичной, как и для несимметричного конического вибратора.

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

1. Ненаправленная широкополосная антенна, содержащая полый металлический конус (ПМК) высотой H_к и с углом при вершине α, спиральный проводник и коаксиальный фидер, подключенный к ПМК, отличающаяся тем, что ПМК установлен вертикально над проводящей поверхностью и обращен к ней вершиной, спиральный проводник выполнен в форме конической спирали высотой H_c с углом β при вершине и установлен в полости ПМК соосно с ним, вершина конической спирали подключена к внутренней поверхности ПМК у его вершины, а коаксиальный фидер подключен центральным проводником к вершине ПМК, а экранной оболочкой к проводящей поверхности.

2. Ненаправленная широкополосная антенна по п.1, отличающаяся тем, что высота H_к ПМК выбрана из условия H_к≥0,6λ_max, где λ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона волн антенны.

3. Ненаправленная широкополосная антенна по п.1, отличающаяся тем, что углы α и β выбраны в интервалах α=60°-90°; β=30°-40°.