Широкополосная вибраторная антенна
Владельцы патента RU 2786348:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)" ФГАОУ ВО "ЮУрГУ (НИУ)" (RU)
Изобретение относится к антенной технике, в частности, к антенно-фидерным устройствам, а именно, к широкополосным симметричным вибраторным антеннам, питаемым коаксиальным кабелем. Технический результат заключается в повышении надежности работы устройства. Результат достигается тем, что широкополосная вибраторная антенна, содержащая первый и второй вибраторы с первым и вторым плечами, первую и вторую перемычки, симметрирующее устройство с первым и вторым проводниками и короткозамыкателем, устройство согласования с первым и вторым полюсами, фидер, соединитель радиочастотный, первую и вторую диэлектрические концевые распорки, диэлектрическую распорку, диэлектрическую подложку, диполь с первым и вторым полюсами, защитную крышку, отличается тем, что содержит первую втулку, выполненную в виде втулки с буртиком с прорезями, вторую втулку, выполненную в виде разностенной втулки с буртиком с прорезями, третью втулку, выполненную в виде скользящей втулки, устройство крепления фидера, в виде термоусаживаемой трубки, при этом одна часть трубки усажена на второй втулке, а вторая часть трубки усажена на фидере, защитный термоусаживаемый колпачок. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Широкополосная вибраторная антенна относится к антенно-фидерным устройствам, а именно, к симметричным вибраторным антеннам, питаемым коаксиальным кабелем.
Эта новая симметричная вибраторная антенна обеспечивает широкую полосу согласования антенны с фидером. При этом имеет высокую степень защиты от антенного эффекта фидера, удобна для размещения на мачтах или на поясах башен, допускает излучение сигналов большой мощности. Обеспечивает высокую надёжность крепления фидера с элементами конструкции антенны. Устраняет проблему от разницы в удлинении металлических элементов конструкции антенны и фидера с диэлектрическим заполнением при изменении температуры окружающей среды. Защищает от пыли и проникновения насекомых к месту возбуждения антенны. Сохраняет параметры в широком интервале температур окружающей среды.
Уровень техники
Известна широкополосная вибраторная антенна (патент РФ на изобретение
№2 618 776, МПК: H01Q9/16, опубл. 11.05.2017, Бюл.№14), содержащая первый вибратор с первым и вторым плечами, второй вибратор с первым и вторым плечами, первую и вторую перемычки, симметрирующее устройство с первым и вторым проводниками и короткозамыкателем, устройство компенсации мнимой составляющей входного сопротивления антенны с первым и вторым полюсами, фидер, соединитель радиочастотный, первую и вторую диэлектрические концевые распорки, диэлектрическую распорку, первую и вторую шайбы, диэлектрическую подложку, возбуждающий проводник с первым и вторым полюсами (далее — диполь), защитную крышку, причем плечи первого вибратора расположены соосно с образованием зазора между ними, первая диэлектрическая концевая распорка установлена на конец первого плеча первого вибратора и на конец первого плеча второго вибратора, а вторая диэлектрическая концевая распорка установлена на конец второго плеча первого вибратора и на конец второго плеча второго вибратора, первая шайба расположена на торце первого проводника симметрирующего устройства с образованием гальванического контакта, вторая шайба расположена на торце второго проводника симметрирующего устройства с образованием гальванического контакта, диэлектрическая подложка расположена в упомянутом зазоре с опорой на первую и вторую шайбы, а диполь расположен на диэлектрической подложке, при этом первое плечо первого вибратора гальванически соединено с первым плечом второго вибратора первой перемычкой, второе плечо первого вибратора гальванически соединено со вторым плечом второго вибратора второй перемычкой, плечи первого вибратора соединены с соответствующими по номеру проводниками симметрирующего устройства, первая шайба расположена на торце первого проводника симметрирующего устройства с образованием гальванического контакта, вторая шайба расположена на торце второго проводника симметрирующего устройства с образованием гальванического контакта, диэлектрическая подложка расположена в упомянутом зазоре с опорой на первую и вторую шайбы, а диполь расположен на диэлектрической подложке, при этом внешний проводник фидера гальванически соединен со второй шайбой, центральный проводник фидера соединен со вторым полюсом диполя, первый полюс которого соединен с первым полюсом устройства согласования, второй полюс устройства согласования соединен с первой шайбой, диполь, диэлектрическая подложка и шайбы закрыты крышкой. Здесь и далее мы пользуемся определением полюса как одного из двух противоположных концов электрической цепи устройства.
Широкополосная вибраторная антенна, известная по патенту РФ на изобретение №2 618 776, принята в настоящей заявке в качестве прототипа.
По указанному патенту №2 618 776 изготовлены антенны курсового радиомаяка в рамках проекта “Создание высокотехнологичного производства антенн и аппаратных модулей для двухчастотного радиомаячного комплекса системы посадки метрового диапазона формата ILS III категории ICAO для аэродромов Гражданской Авиации, включая аэродромы с высоким уровнем снежного покрова и сложным рельефом местности” (Научные разработки ЮУрГУ-2015. Альманах. Челябинск. Издательский центр ЮУрГУ. - 2016, стр.81, фото “Антенна курсового радиомаяка Комплекса СП-2010 на аэродроме Шагол (декабрь 2015 г.)”.
Конструкция антенны и полученные при этом характеристики антенны опубликованы в статье: Voytovich N. I., Ershov A.V. Ice influence on wideband dipole antenna characteristics. IET, The Institution of Ingineering and Technology. Conference Publications: 12-th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2018)/DOI: 10.1049/cp/2018.1228).
Реализация технических решений, предложенных в указанном патенте, как показала практика, позволила создать полезную вибраторную антенну, обеспечивающую рабочие характеристики в широком диапазоне частот.
Однако, известная антенна, предложенная в патенте №2 618 776, обладает недостатками, которые проявляются при некоторых применениях антенны. Эти недостатки поясняются ниже со ссылкой на фиг. 1а,б. Первый недостаток заключается в следующем. Внешним проводником коаксиального кабеля является оплётка, состоящая из сетки медной круглой проволоки диаметром 0,08…0,30 мм (Д. Я. Гальперович, А. А. Павлов, Н. Н. Хренков. Радиочастотные кабели. — М.: Энергоатомиздат, 1990) в зависимости от диаметра диэлектрика кабеля. При изготовлении антенны тонкие проволоки расчёсывают, распределяют между прорезями на втулке и опаивают. Таким образом, механическое соединение кабеля с шайбой выполнено тонкими медными проволоками, каждая из которых составляет в диаметре доли миллиметра. При эксплуатации антенны может наблюдаться нагружение места соединения оплётки с шайбой осевой силой (действующей вдоль оси коаксиального кабеля), и нагружение крутящим моментом (моментом сил относительно оси коаксиального кабеля). Соединение может не выдержать указанные механические нагружения и разрушиться.
Второй недостаток состоит в следующем. Конец трубы 27 (фиг.1а), в которую введён фидер 7, по существу является открытым. Зазор между внутренней поверхностью трубы 27 и внешней поверхностью фидера остаётся достаточным для проникновения насекомых в трубу и организации в полости трубы своего жилища. В открытую полость трубы может попадать пыль, осадки и вредные вещества промышленного города.
Третий недостаток выражается в следующем. С изменением температуры окружающей среды изменяется длина трубы 27, а также изменяется длина расположенного в ней фидера 7. Поскольку температурные коэффициенты линейного расширения алюминиевого сплава, из которого выполнена труба 27, и полиэтилена, являющегося диэлектриком коаксиального кабеля, существенно отличаются друг от друга, то при жёстком креплении кабеля в трубе с двух её концов или крепления одного конца в трубе, а второго за пределами трубы возникает проблема деформации кабеля в недопустимых пределах.
Эти недостатки устраняются данным изобретением.
Раскрытие изобретения
Технической задачей настоящего изобретения является повышение надежности антенны за счёт увеличения механической прочности соединения фидера с конструкцией антенны, защиты устройства возбуждения антенны от воздействия пыли и насекомых, обеспечения равенства длины трубы и коаксиального кабеля в полости трубы при изменении температуры окружающей среды во избежание недопустимой деформации кабеля
Решение поставленной задачи достигается тем, что широкополосная вибраторная антенна, содержащая первый вибратор с первым и вторым плечами, второй вибратор с первым и вторым плечами, первую и вторую перемычки, симметрирующее устройство с первым и вторым проводниками и короткозамыкатель, устройство компенсации мнимой составляющей входного сопротивления антенны с первым и вторым полюсами (далее — устройство согласования), фидер, соединитель радиочастотный, первую и вторую диэлектрические концевые распорки, диэлектрическую распорку, диэлектрическую подложку, диполь, защитную крышку, обтекатель вибраторов и обтекатель симметрирующего устройства, согласно изобретения, дополнительно содержит (указанные на фиг.2 а,б) первую 32, вторую 33 и третью втулку 34, устройство крепления фидера ко второй втулке 35, защитный колпачок 36, и совместно имеют следующее расположение и соединения. Первое и второе плечи первого вибратора расположены соосно с образованием зазора между ними. Первое и второе плечи второго вибратора гальванически соединены между собой. Первое плечо первого вибратора гальванически соединено с первым плечом второго вибратора первой перемычкой. Второе плечо первого вибратора гальванически соединено со вторым плечом второго вибратора второй перемычкой. Плечи первого вибратора соединены с соответствующими по номеру проводниками симметрирующего устройства. Первая втулка 32 расположена на торце первого проводника симметрирующего устройства со стороны первого вибратора с образованием гальванического контакта. Вторая втулка 33 расположена на торце второго проводника симметрирующего устройства со стороны первого вибратора с образованием гальванического контакта. Третья втулка 34 расположена на торце второго проводника симметрирующего устройства, на противоположной первому вибратору стороне. Диэлектрическая подложка расположена в упомянутом зазоре между плечами первого вибратора с опорой на первую и вторую втулки, а диполь расположен на диэлектрической подложке. Внешний проводник фидера гальванически соединен со второй втулкой. Центральный проводник фидера соединён со вторым полюсом диполя, первый полюс которого соединён с первым полюсом устройства согласования. Второй полюс устройства согласования гальванически соединён первой втулкой. Диполь с полюсами, первая и вторая втулки закрыты крышкой. Первая диэлектрическая концевая распорка установлена на конец первого плеча первого вибратора и на конец первого плеча второго вибратора, а вторая диэлектрическая концевая распорка установлена на конец второго плеча первого вибратора и на конец второго плеча второго вибратора.
В предлагаемом изобретении, как в прототипе, симметрирующее устройство выполнено в виде первого и второго трубчатых проводников и короткозамыкателя, образующих совместно короткозамкнутый отрезок двухпроводной линии. Устройство согласования выполнено в виде отрезка коаксиальной линии, причем отрезок коаксиальной линии смонтирован внутри трубы, являющейся первым проводником симметрирующего устройства. Центральный проводник фидера соединен со вторым полюсом диполя, первый полюс которого соединён с центральным проводником отрезка коаксиальной линии. Внешний проводник отрезка коаксиальной линии, в отличие от прототипа, через первую втулку гальванически соединен с первым проводником симметрирующего устройства. Первое и второе плечи первого и второго вибраторов, а также первый и второй проводники отрезка двухпроводной линии выполнены в виде трубчатой конструкции диаметром 20 мм и 30 мм, соответственно. Фидер смонтирован внутри второго трубчатого проводника двухпроводной линии. Внешний проводник фидера гальванически соединен со вторым проводником симметрирующего устройства через вторую втулку.
Диэлектрическая распорка установлена между первым и вторым проводниками двухпроводной линии симметрирующего устройства. Первая диэлектрическая концевая распорка установлена на конец первого плеча первого вибратора и на конец первого плеча второго вибратора, а вторая диэлектрическая концевая распорка установлена на конец второго плеча первого вибратора и на конец второго плеча второго вибратора.
Введение в состав антенны существенных отличительных признаков: первой 32, второй 33 и третьей 34 втулок, устройства крепления фидера ко второй втулке 35, защитного колпачка 36 и указанное выше взаимное размещение и соединение позволило достичь основной технический эффект — повысить механическую прочность соединения фидера с конструкцией антенны, защитить устройство возбуждения антенны от воздействия пыли и насекомых, обеспечить равенство длины трубы и коаксиального кабеля в полости трубы при изменении температуры окружающей среды и тем самым избежать недопустимые деформации коаксиального кабеля, что в целом повысило надежность устройства.
Решение этих задач поясняется далее текстом и фигурами.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1а,б представлен в плане прототип настоящего изобретения широкополосной вибраторной антенны (патент РФ на изобретение №2 618 776 С1, МПК: H01Q9/16 (2006.01), Опубликован: 11.05.2017. Бюл. № 14).
На фиг. 1-а приведен общий вид прототипа широкополосной вибраторной антенны, отмечена область зазора между плечами первого вибратора;
На фиг. 1-б показан вид на область зазора 23 между плечами первого вибратора.
На фиг. 1- а, б приведены обозначения элементов прототипа, которые, кроме позиций 12 и 13, являются общими для прототипа и настоящего изобретения на фиг. 2 а,б:
1 — первый вибратор,
2 — второй вибратор,
3 — первый проводник (первая перемычка),
4 — второй проводник (вторая перемычка),
5 — симметрирующее устройство,
6 — устройство компенсации мнимой составляющей входного сопротивления антенны (далее - устройство согласования; показано на фиг 1-б),
7 — фидер,
8 — соединитель радиочастотный,
9 — первая диэлектрическая концевая распорка,
10 — вторая диэлектрическая концевая распорка,
11 — диэлектрическая распорка,
14 — диэлектрическая подложка,
15 — диполь с первым 16 и вторым 17 полюсом,
18 — защитная крышка,
21 — первое плечо первого вибратора (фиг.1а),
22 — второе плечо первого вибратора (фиг.1а),
23 — область зазора между первым 21 и вторым 22 плечами первого вибратора (фиг.1а,б),
24 — первое плечо второго вибратора,
25 — второе плечо второго вибратора,
26 — первый проводник симметрирующего устройства,
27 — второй проводник симметрирующего устройства,
28 — короткозамыкатель,
29 — реактивный шлейф (отрезок коаксиальной линии),
30 — первый полюс реактивного шлейфа,
31 — второй полюс реактивного шлейфа.
На фиг. 1-б указана область зазора 23 между первым и вторым плечами первого вибратора; в зазоре на фиг. 1-б показано соединение центрального проводника коаксиального кабеля, выполняющего роль фидера, с диполем 15, а также диполя с центральным проводником отрезка коаксиального кабеля, представляющего собой устройство согласования входного сопротивления антенны.
На фиг. 2а,б представлена в плане широкополосная вибраторная антенна по настоящему изобретению.
На фиг. 2-а введено дополнительное обозначение:
34 — третья втулка,
На фиг. 2-б введено дополнительное обозначение:
32 — первая втулка,
33 — вторая втулка,
35 — устройство крепления кабеля фидера к второй втулке,
36 —защитный колпачок.
На фиг. 3а,б показана заявляемая широкополосная вибраторная антенна в изометрии в разобранном виде.
На фиг. 3 введены дополнительные обозначения:
37 — область зазора между первым 21 и вторым 22 плечами первого вибратора.
38-внешний проводник кабеля.
На фиг. 4 а,б показана вторая втулка 33.
Осуществление изобретения
Обратимся к фиг. 2а,б, на которой представлена широкополосная вибраторная антенна в соответствии с настоящим техническим решением (далее — антенна). Антенна содержит первый вибратор 1, второй вибратор 2, первую 3 перемычку с регулируемой длиной, вторую 4 перемычку с регулируемой длиной, симметрирующее устройство 5 (СУ), устройство 6 компенсации мнимой составляющей входного сопротивления антенны (далее — устройство согласования; показано на фиг. 2-б, фидер 7, соединитель радиочастотный 8, первую диэлектрическую концевую распорку 9, вторую диэлектрическую концевую распорку 10, диэлектрическую распорку 11, первую втулку 32, вторую втулку 33, третью втулку 34, диэлектрическую подложку 14, диполь 15 с первым 16 и вторым 17 полюсом, защитную крышку 18 (на фиг. 2 не показана), обтекатель вибраторов 19, обтекатель симметрирующего устройства 20 (обтекатели 19 и 20 на фиг. 2 не показаны), элементы крепления.
Первый вибратор 1 состоит из первого плеча 21 и второго плеча 22. Первое 21 и второе 22 плечи первого вибратора 1 расположены соосно, вдоль оси АА, с образованием зазора 23 между плечами. Первое 21 и второе 22 плечи первого вибратора 1 выполнены из проводящего материала, например, из металлического стержня или металлической трубы.
Второй вибратор 2 состоит из первого плеча 24 и второго плеча 25. Плечи 24 и 25 второго вибратора 2 расположены на оси, параллельной оси АА. Плечи, 24 и 25 второго вибратора 2 гальванически соединены между собой. Плечи второго вибратора 2 выполнены из проводящего материала, например, из металлического стержня или металлической трубы.
Симметрирующее устройство 5 (СУ) представляет собой четвертьволновый короткозамкнутый на конце отрезок линии передачи. СУ 5 состоит из первого проводника 26, второго проводника 27, расположенных параллельно друг другу, и короткозамыкателя (перемычки) 28. Короткозамыкатель 28 соединяет между собой проводники 26 и 27 СУ 5 с образованием гальванического контакта. Короткозамыкатель 28 расположен на расстоянии, равном четверти длины волны (на средней частоте рабочего диапазона) от оси первого вибратора 1. Проводники 26 и 27 СУ 5 могут быть продолжены за короткозамыкателем 28, образуя конечные участки, предназначенные для крепления антенны на опоре. Короткозамыкатель 28 представляет собой, например, отрезок трубы либо металлический фланец для крепления антенны на некотором кронштейне. Проводники 26 и 27 выполнены, например, из прутка или трубы из алюминиевого сплава, латуни, стали или иного материала с хорошей проводимостью. Короткозамыкатель 28 выполнен из алюминиевой трубы, стального листа, алюминиевого листа или иного материала с хорошей проводимостью. Первый 1 и второй 2 вибраторы, первая 3 и вторая 4 перемычки с регулируемой длиной, проводники 26 и 27 СУ 5 лежат в плоскости 
Устройство согласования 6 (фиг. 2-б) представляет собой реактивный шлейф (отрезок коаксиальной линии) 29 с первым 30 и вторым 31 полюсами, с режимом холостого хода на конце [Пименов Ю.В. и др. Техническая электродинамика /Пименов Ю.В., Вольман В.И., Муравцев А.Д. Под ред. Ю.В. Пименова: Учеб. пособие для вузов. — M.: Радио и связь, 2000. — 536 с.] На фиг. 2-б устройство компенсации 6 показано выполненным в виде короткого разомкнутого на конце отрезка 29 коаксиальной линии. Отрезок 29 коаксиальной линии проходит через первую втулку 32. Центральный проводник отрезка 29 коаксиальной линии выходит из втулки 32 и продолжается вплоть до первого полюса 16 диполя 15. Конец продолженного центрального проводника отрезка коаксиальной линии является при этом первым полюсом 30 устройства согласования 6. Внешний проводник отрезка 29 выведен из трубы и образует здесь второй полюс 31 устройства согласования 6. На фиг. 2-б второй полюс соединён с первой втулкой 32, опирающейся на торец трубы 26 (первого проводника симметрирующего устройства 5) с образованием гальванического контакта.
В качестве фидера 7 может быть использован серийный коаксиальный кабель, внешний диаметр оболочки которого меньше внутреннего диаметра трубы второго проводника 27 СУ 5.
В качестве соединителя 8 может быть использован стандартный соединитель радиочастотный.
В качестве диэлектрической подложки 14 может быть использована диэлектрическая пластина. Пластина имеет, например, прямоугольную или овальную форму, выполнена из полиэтилена, фторопласта, керамики или иного высокочастотного диэлектрика. В пластине выполнены два отверстия для прохода в одном из них диэлектрика согласующего отрезка коаксиальной линии, а в другом диэлектрика фидера.
В качестве диполя 15 может быть использован отрезок проволоки, металлического прутка или другой проводник с круглым, прямоугольным, овальным сечением или сечением иного вида.
Перемычки 3 и 4 выполнены из алюминиевого сплава, латуни, стали или иного материала с высокой электрической проводимостью.
Первая 9 и вторая 10 диэлектрические концевые распорки предназначены для повышения прочности конструкции широкополосной вибраторной антенны, обеспечения параллельности вибраторов, придания антенне эстетичного вида. Распорки 9 и 10 выполнены из диэлектрического материала, такого как, например, полиэтилен или капролон.
Диэлектрическая распорка 11 представляет собой две полукруглых пластины с вырезами с радиусом, равным радиусу труб первого 26 и второго 27 проводников СУ 5. Распорка 11 выполнена из диэлектрического материала, такого как, например, полиэтилен или капролон.
Вторая втулка 33 (фиг. 4а,б) представляет собой разностенную втулку с буртиком 331. Мы следуем общепринятому определению втулки, согласно которому к втулкам относят детали, образованные наружными и внутренними поверхностями вращения, имеющими общую прямолинейную ось (ось OO на фиг. 4). Термин «разностенная втулка» мы заимствуем из источников, связанных с изготовлением литейных форм. Разностенная втулка в нашем случае означает, что она может быть условно разделена на несколько частей, в которых толщина стенки имеет разную величину. Вторая втулка 33 имеет буртик 331 и две цилиндрических части с разным внешним диаметром: 332 и 333. Внешний диаметр буртика 331 равен или больше внешнего диаметра трубы симметрирующего устройства (СУ) 5. Буртик принимает на себя осевые нагрузки, действующие на втулку. Внешний диаметр первой цилиндрической части 332 равен внутреннему диаметру трубы СУ. Внешний диаметр второй части 333 второй втулки таков, что после осаждения на неё термоусадочной трубки 35 внешний диаметр осаждённой трубки меньше внутреннего диаметра трубы второго проводника 27 симметрирующего устройства 5. Внутренние диаметры отверстий буртика 331, первой 332 и второй 333 части втулки 33 равны друг другу. На буртике 331 выполнены прорези 334 для укладки в них проводников расчёсанной оплётки коаксиального кабеля. На внешней поверхности 332 первой цилиндрической части втулки 33 может быть нарезана резьба для обеспечения резьбового соединения первой втулки с трубой симметрирующего устройства.
Первая втулка 32 отличается от второй втулки 33 тем, что не содержит вторую полую цилиндрическую часть 333. Первая втулка 32 также может быть выполнена с резьбой на внешней поверхности цилиндрической части.
Третья втулка 34 (фиг.3а) представляет собой трубчатое кольцо, установленное между внутренней поверхностью трубы 27 симметрирующего устройства 5 и внешней поверхностью фидера 7. Она должна при изменении температуры окружающей среды обеспечить перемещение фидера 7 относительно трубы 27 симметрирующего устройства 5 с образованием минимально возможного зазора между поверхностью фидера и внутренней поверхностью втулки 34. Вся втулка или только её скользящая поверхность изготавливаются из антифрикционного материала с малым коэффициентом трения. Таким образом, втулка скольжения позволяет за счет значительного уменьшения трения снизить сопротивление взаимного перемещения трубы симметрирующего устройства и фидера при изменении температуры окружающей среды. Механически изготовленную втулку скольжения вытачивают из заготовки. Втулка скольжения имеет форму цилиндра, с одного края имеет расширение в виде шайбы, которое называется бурт (буртик). В полимерной втулке скольжения используется либо обычный пластик, либо фторопласт.
Указанные выше устройства и детали соединены между собой следующим образом. Первое плечо 21 первого вибратора 1 гальванически соединено с первым плечом 24 второго вибратора 2 первой перемычкой 3. Второе плечо 22 первого вибратора 1 гальванически соединено со вторым плечом 25 второго вибратора 2 второй перемычкой 4. Первое плечо 21 первого вибратора 1 в зазоре 23 гальванически присоединено к первому проводнику 26 симметрирующего устройства 5. Второе плечо 22 первого вибратора в зазоре 23 гальванически соединено со вторым проводником 27 симметрирующего устройства 5. Третья втулка 34 установлена в трубу 27 на её конечном участке, противоположном вибратору 1. Фидер 7 введён через третью втулку 34 во второй проводник 27 симметрирующего устройства 5. При этом на конечном участке коаксиального кабеля выполнена разделка кабеля: снята изоляция кабеля, расчёсан и выпрямлен внешний проводник, выполненный в виде оплётки. На кабель надета вторая 33 втулка. Внешний проводник кабеля 38 (фиг.3б) равномерно распределён по прорезям 334 втулки 33 и опаян. Втулка 33 гальванически соединена с трубой 27. Центральный проводник фидера 7 гальванически соединен со вторым полюсом 17 диполя 15, первый полюс 16 которого соединён с первым полюсом 30 устройства согласования 6. Вторым полюсом 31 устройства согласования 6 служит конец внешнего проводника отрезка 29 коаксиальной линии. Внешний проводник отрезка 29 коаксиальной линии (фиг.2б) аналогично указанному выше способу гальванически соединён со второй втулкой 32, которая гальванически соединена с первым проводником 26 симметрирующего устройства 5. Второй конец фидера 7 (фиг.2а) заделан в соединитель радиочастотный 8. При этом в качестве отрезка 29 коаксиальной линии использован либо отрезок стандартного коаксиального кабеля, либо отрезок специальной линии передачи (на фиг. не показан), состоящей из внешнего проводника в виде трубы, центрального проводника в виде стержня или трубы и расположенного между ними полого диэлектрического цилиндра.
В качестве устройства крепления 35 фидера 7(фиг.2а,б) к антенне применена термоусаживаемая трубка (ГОСТ 17675-87 Трубки электроизоляционные гибкие), ([Электроннный ресурс] Макаров Д. Что такое термоусадочная трубка, её виды, назначение, технические характеристики. URL: https://www.asutpp.ru/chto-takoe-termousadochnaja-trubka.html. Дата обращения: 19.04.2022). Термоусаживаемая трубка осаждена частично на второй (нижней) цилиндрической части 333 втулки 33, а остальной частью — на фидере 7. В качестве устройства защиты кабеля применён термоусаживаемый колпачок 36 (фиг.2б) (термоусаживаемая трубка, заглушенная с одного конца). Термоусаживаемый колпачок 36 осаждён на отрезок 29 коаксиальной линии.
Первая диэлектрическая концевая распорка 9 установлена на концы первых плеч 21 и 24 первого 1 и второго 2 вибраторов (фиг. 2-а). Вторая диэлектрическая концевая распорка 10 установлена на противоположные концы первого 1 и второго 2 вибраторов.
Диэлектрическая распорка 11 установлена между проводниками 26 и 27 симметрирующего устройства 5 и закреплена посредством винтов или болтов таким образом, что она плотно прилегает к проводникам 26 и 27 полукруглыми вырезами. Диэлектрическая распорка 11 располагается на некотором расстоянии от зазора 23.
Антенна работает следующим образом.
Антенна (фиг. 2) возбуждается диполем 15 в области зазора 23 между первым 21 и вторым 22 плечами первого вибратора 1. Длина диполя 15 не превышает одной пятидесятой длины волны, поэтому неравномерностью в распределении тока вдоль диполя 15 можно практически пренебречь. Следовательно, диполь 15 введен в область возбуждения антенны таким образом, что он не нарушает ни физической, ни электрической симметрии антенны. Токи смещения, возникающие между первым вибратором 1 и проводниками 26 и 27 симметрирующего устройства 5, между вторым вибратором 2 и проводниками 26 и 27 симметрирующего устройства продолжаются токами проводимости на проводниках 26 и 27 симметрирующего устройства 5. При этом амплитуды токов проводимости в упомянутых первом 26 и втором 27 проводниках симметрирующего устройства 5 равны между собой, а фазы токов отличаются друг от друга на 180º. Вследствие этого, за пределами короткозамыкателя 28 суммарный ток на внешней стороне внешнего проводника фидера 7, равен нулю. Поскольку на внешней стороне внешнего проводника фидера 7 ток равен нулю, то оболочка фидера 7 не излучает (не принимает) электромагнитные волны. Таким образом исключается антенный эффект фидера 7 и связанные с ним непредсказуемые искажения диаграммы направленности антенны, исключаются изменения входного сопротивления антенны, излучение кросс-поляризованного поля.
В качестве регулировочных элементов в антенне применены первая 3 и вторая 4 перемычки переменной длины и согласующий отрезок коаксиального кабеля 29. Регулировкой длины первой 3 и второй 4 перемычек выбирается расстояние между первым 1 и вторым 2 вибраторами, при этом можно добиться, чтобы нормированная действительная часть входного сопротивления отличалась бы от единицы на величину не более чем, например, ±5% в полосе частот, составляющей примерно 10% относительно средней частоты диапазона. При этом значение мнимой части нормированного входного сопротивления антенны близко к нулю, КСВН имеет значение не более 1,05. При изменении расстояния между вибраторами 1 и 2 наряду с изменением действительной составляющей в общем случае изменяется и мнимая составляющая входного сопротивления антенны. Отклонения мнимой составляющей входного сопротивления от величины, равной нулю, при изменении расстояния между вибраторами 1 и 2 может быть компенсировано за счёт изменения входного сопротивления согласующего отрезка коаксиального кабеля 29 (фиг. 2-б) путём изменения его длины.
Согласующий отрезок коаксиального кабеля 29 с холостых ходом на конце является реактивным элементом. При длине упомянутого отрезка менее четверти длины волны в линии передачи его входное сопротивление, определяемое сопротивлением между его первым 30 и вторым 31 полюсами, имеет ёмкостный характер. Согласующий отрезок коаксиального кабеля 29 соединён последовательно с диполем 15. Следовательно, при удлинении согласующего отрезка кабеля 29 мнимая составляющая входного сопротивления антенны увеличивается. Подбором длины согласующего отрезка 29 достигается компенсация мнимой (реактивной) составляющей входного сопротивления антенны. Таким образом, указанная выше конструкция антенны обеспечивает согласование антенны с фидером 7 в широкой полосе частот.
Механическая прочность соединения фидера 7 (фиг.2б)) с антенной обеспечивается за счёт трения между термоусаженной трубкой 35 и второй частью 333 (фиг.4а) втулки 33, трения между термоусаженной трубкой (устройство крепления фидера) 35 и оболочкой фидера 7 и прочностью на разрыв термоусаживаемой трубки. Для увеличения прочности указанного механического соединения может быть использована термоусаживаемая трубка с внутренним клеевым слоем.
С изменением температуры окружающей среды изменяется длина трубы 27 (фиг. 2-а), также изменяется длина расположенного в ней фидера 7. Поскольку температурные коэффициенты линейного расширения алюминиевого сплава, из которого выполнена труба 27, и полиэтилена, являющегося диэлектриком коаксиального кабеля, существенно отличаются друг от друга, то при жёстком креплении кабеля в трубе с обоих её концов возникает проблема деформации кабеля в недопустимых пределах. Эта проблема разрешена установкой на входе трубы 27 скользящей втулки 34. При изменении температуры окружающей среды фидер 7 свободно скользит по поверхности втулки 34. При этом выравниваются длины трубы 27 и расположенного в ней участка фидера 7.
Скользящая втулка 34 обеспечивает защиту внутреннего пространства трубы 27 от попадания пыли и насекомых.
Таким образом, применение в предлагаемой широкополосной вибраторной антенне первой, второй и третьей втулок, устройства крепления фидера и защитного термоусаживаемого колпачка в совокупности позволяет повысить надежность работы устройства в целом.
Применение изобретения
Широкополосная вибраторная антенна по настоящему изобретению может быть применена в качестве самостоятельной антенны, в качестве элементов более сложных вибраторных антенн, в качестве излучающих элементов антенных решеток, облучателей зеркальных и линзовых антенн.
При этом сохранены все преимущества антенны-прототипа:
имеет за счет симметричной системы питания симметричную диаграмму направленности в плоскости вектора Е, без раздвоения диаграммы и без отклонения максимума диаграммы направленности от плоскости, перпендикулярной вибраторам антенны;
имеет круговую диаграмму направленности в плоскости вектора Н, за счет синфазного питания двух вибраторов, разнесенных друг от друга на расстояние, существенно меньшее половины длины волны;
обеспечивает устойчивые характеристики излучения при использовании как тонких вибраторов с высоким волновым сопротивлением, так и толстых вибраторов с низким волновым сопротивлением;
обеспечивает компенсацию мнимой составляющей входного сопротивления антенны в широком диапазоне частот;
сопротивление излучения антенны в широком диапазоне частот изменяется в небольших пределах;
имеет низкий КСВН в линии питания за счет согласования входного сопротивления антенны с волновым сопротивлением фидера в широкой полосе частот;
снижен уровень мощности, возвращающийся к передатчику при работе антенны на передачу, за счет согласования антенны с фидером;
снижен уровень искажений спектра передаваемого (принимаемого) антенной сигнала за счет равномерной амплитудно-фазовой характеристики антенны в диапазоне частот;
имеет повышенную устойчивость к высокочастотному пробою за счет снижения напряженности поля в соединителе радиочастотном вследствие снижения КСВН в линии питания при работе антенны в режиме передачи;
обеспечена устройствами согласования, во-первых, за счет изменения длины плеч вибраторов, во-вторых, за счет изменения расстояния между первым и вторым вибратором, между перемычками, соединяющими между собой первый и второй вибраторы, и, в-третьих, за счет изменения мнимого сопротивления устройства согласования и тем самым расширена полоса рабочих частот антенны;
имеет простой метод компенсации мнимой составляющей входного сопротивления антенны в диапазоне частот;
обеспечивает максимальную передачу мощности за счет согласования с волновым сопротивлением фидера;
повышает потенциально возможный уровень мощности в выбранном заранее фидере за счет снижения КСВН в нем;
минимизирует потери в фидере и в результате снижает нагрев фидера при передаче по нему мощности;
минимизирует излучение (прием) электромагнитных волн фидером (внешней стороной внешнего проводника коаксиального кабеля);
может использоваться как самостоятельная антенна, а также как элемент антенной решетки;
удобна для ее монтажа на трубе или на поясе решетчатой башни.
В сравнении с антенной-прототипом имеет следующие преимущества:
имеет высокую механическую прочность соединения фидера с конструкцией антенны;
защищено устройство согласования от проникновения в него влаги;
защищено устройство возбуждения антенны от попадания пыли и насекомых;
исключена деформация участка коаксиального кабеля, расположенного в трубе устройства согласования (при изменении температуры окружающей среды).
Таким образом, изобретение решает техническую задачу - повышение надежности работы широкополосной вибраторной антенны, сохраняет её работоспособность в реальных условиях эксплуатации, при изменении температуры окружающей среды.
Предложенная широкополосная вибраторная антенна оказывается полезной во всех тех случаях, когда требуется либо самостоятельная вибраторная антенна, либо излучающий (приемный) элемент более сложного антенного устройства или антенной системы, от которых требуется согласование в широкой полосе частот, низкие потери в фидере, высокий коэффициент полезного действия антенны, малый уровень кроссполяризованного излучения, большой уровень излучаемой мощности, независимость характеристик в сложных метеорологических условиях.
1. Широкополосная вибраторная антенна, содержащая первый вибратор с первым и вторым плечами, второй вибратор с первым и вторым плечами, первую и вторую перемычки, симметрирующее устройство с первым и вторым проводниками и короткозамыкателем, устройство согласования с первым и вторым полюсами, фидер, соединитель радиочастотный, первую и вторую диэлектрические концевые распорки, диэлектрическую распорку, диэлектрическую подложку, диполь с первым и вторым полюсами, защитную крышку, причем плечи первого вибратора расположены соосно с образованием зазора между ними, первая диэлектрическая концевая распорка установлена на конец первого плеча первого вибратора и на конец первого плеча второго вибратора, а вторая диэлектрическая концевая распорка установлена на конец второго плеча первого вибратора и на конец второго плеча второго вибратора, при этом первое плечо первого вибратора гальванически соединено с первым плечом второго вибратора первой перемычкой, второе плечо первого вибратора гальванически соединено со вторым плечом второго вибратора второй перемычкой, плечи первого вибратора гальванически соединены с соответствующими по номеру проводниками симметрирующего устройства, первый и второй проводники симметрирующего устройства выполнены из металлической трубы, фидер выполнен в виде коаксиальной линии, устройство согласования выполнено в виде отрезка коаксиальной линии, причем фидер смонтирован внутри трубы, являющейся вторым проводником симметрирующего устройства, отрезок коаксиальной линии смонтирован внутри трубы, являющейся первым проводником симметрирующего устройства, центральный проводник фидера соединён со вторым полюсом диполя, первый полюс которого соединён с первым полюсом устройства согласования, диэлектрическая подложка расположена в упомянутом зазоре, а диполь расположен на диэлектрической подложке, диполь с первым и вторым полюсами закрыт защитной крышкой, отличающаяся тем, что дополнительно содержит первую втулку, выполненную в виде втулки с буртиком с прорезями, вторую втулку, выполненную в виде разностенной втулки с буртиком с прорезями, состоящей из двух соосных цилиндрических отрезков трубы разных наружных диаметров, третью втулку, выполненную в виде скользящей втулки, устройство крепления фидера, в качестве которого применена термоусаживаемая трубка, при этом одна часть термоусаживаемой трубки усажена на второй втулке, а вторая часть термоусаживаемой трубки усажена на фидере, защитный термоусаживаемый колпачок, причём первая и вторая втулки вставлены в первую и вторую трубы симметрирующего устройства, соответственно, со стороны первого вибратора с образованием гальванического контакта, третья втулка вставлена во вторую трубу симметрирующего устройства со стороны, противоположной относительно первого вибратора, фидер проложен через третью втулку во вторую трубу симметрирующего устройства, защитный колпачок установлен на отрезок коаксиальной линии, внешний проводник фидера гальванически соединен со второй втулкой, второй полюс устройства согласования гальванически соединён с первой втулкой.
2. Широкополосная вибраторная антенна по п.1, отличающаяся тем, что в качестве первой втулки применена втулка с прорезями и резьбой на внешней цилиндрической части.
3. Широкополосная вибраторная антенна по п.1, отличающаяся тем, что вторая втулка выполнена в виде разностенной втулки с прорезями, с резьбой на внешней поверхности цилиндрической части втулки с диаметром, равным внутреннему диаметру трубы симметрирующего устройства.
