SU1705928A1

SU1705928A1 - Многочастотна малогабаритна антенна

Info

Publication number: SU1705928A1
Application number: SU894685222A
Authority: SU
Inventors: Валерий Павлович Бовкун; Анатолий Алексеевич Гридин; Иван Николаевич Жук
Original assignee: Радиоастрономический институт АН УССР
Priority date: 1989-04-25
Filing date: 1989-04-25
Publication date: 1992-01-15

Abstract

Изобретение относитс к антенной технике и может быть использовано в радиотехнических системах дека- метрового и метрового диапазонов волн, Антенна содержит N (N 1,2,3...) антенных элементов 6, расположенных над противовесом 5 в N этажей на изолированной внешней поверхности первой провод щей трубы 1, внутри которой коаксиально расположена втора провод ща труба 2, верхний конец которой подвижным дисковым короткоза- мыкателем 3 соединен с внутренней поверхностью первой провод щей трубы 1, а нижний конец, установленный на изол торе 4, соединен с противовесом 5 через регулируемый реактивный элемент 16. При этом каждый элемент 6 выполнен в виде коаксиальной линии, разделенной на п (п 1,2,3...) дискретных расположенных параллельно сегментов 13, внешний и внутренний проводники 15, 1 которых соединены с внешним и внутренним проводниками 15, 1 соседних сегментов 13 последовательно и перекрестно, причем соседние антенные элементы 6 соединены также последовательно и перекрестно . Внутренний проводник первого сегмента 13 первого элемента 6 соединен через блок 8 согласовани с коаксиальной линией 7 питани , а его внешний проводник - с противовесом 5, внутренний проводник 1 последнес Ј (Л

Description

ел

со to

оо

Фиг 2.

го сегмента 13 последнего элемента 6 соединен с первой трубой 1. Лбща высота многочастотной малогабаритной антенны менее четвертым минималь- ной длины волны рабочего диапазона. Расположение N элементов 6 в N этажей позвол ет сформировать всенап- равленную в азимутальной плоскости

Изобретение относитс к антенным

устройствам и может быть использовано в радиотехнических системах декамет- рового и метрового диапазонов длин волн там, где требуютс антенны малых размеров, в частности в подвиж- ных системах св зи.

Современные вибраторные антенны широко используютс как в виде самосто тельных элементов, так и в составе антенных решеток. Остро стоит проблема уменьшени размеров вибраторных антенн, расширени их рабочего частотного диапазона.

Известна малогабаритна многочастотна антенна, содержаща п рамоч- ных элементов, установленных симметрично вокруг оси над противовесом, каждый из которых имеет излучающий и защищенный специальным защитным устройством участки, радиочастотную линию от передатчика, подключенную экраном к противовесу, а внутренним проводником к одному концу первого перестраиваемого конденсатора, второй конец соединен с незащищенной частью первого антенного элемента и одним концом второго перестраиваемого конденсатора, второй конец которого соединен с противовесом, причем кажда из оставшихс частей элементов соединена с контактами реле, которые осуществл ют последовательно- параллельное соединение элементов, а управление реле осуществл етс блоком управлени таким образом, что эффективна длина антенны измен етс в зависимости от рабочей частоты передатчика .

В известном устройстве в зависимости от рабочей частоты с помощью реле осуществл етс последовательно параллельное соединение элементов, что позвол ет мен ть частоту настройки антенны. Однако данное устройство

,-

диаграмму направленности, а размещение элементов 6 на изолированной внешней поверхности первой трубы 1 позвол ет повысить КПД за счет возбуждени токов не только на внешней поверхности внешних проводников 15 элементов 6, а на всей внешней поверхности первой провод щей трубы 1. ил.

15

35

Q

25 , Q

40

45

50

55

не может эффективно работать одновременно на нескольких частотах, ито не позвол ет использовать его при многочастотном приеме.Кроме того,наличие большого числа коммутационных элементов существенно снижает надежность устройства. Все это ограничивает область применени известного устройства.

Известна малогабаритна вибраторна антенна, содержаща размещенный над противовесом отрезок провод щей трубы с установленным в ее полости поперечным верхним провод щим диском, причем отрезок провод щей трубы снабжен нижним провод щим диском с выполненным в нем симметрично отверстием, замыкающим ее торец, обращенный к противовесу , а между нижним и провод щими дисками установлены продольные радиальные перегородки с прорез ми, раздел ющие полость провод щей трубы на секторы, в каждом из которых размещены продольные изолированные проводники, последовательно соединенные один с другим перемычками, проход щими сквозь прорези продольных перегородок, причем нижний свободный конец одного из них пропущен сквозь отверстие в нижнем провод щем диске и подключен к центральному проводнику коаксиальной линии питани , а оставшийс свободный конец замкнут на нижний провод щий диск.

Известна антенна имеет небольшие габариты, но обладает малым коэффициентом перекрыти по частоте (К- - 1.25), что существенно снижает область применени .

Известна широкополосна антенна на основе отрезков коаксиальной линии , содержаща расположенный над противовесом излучатель из отрезка линии передачи, состо щей из излумающего и неизлучаюшего проводников, соедин ющихс своими внешними концами , и удлинительный проводник, подключенный к указанному соединению. Неизлучающий внутренний проводник соединен с противовесом, а излучающий наружный - с передатчиком (приемником ) .

В известной антенне шлейф, обра- зованный короткозамкнутым отрезком линии передачи, подключаетс последовательно или параллельно с точкой питани антенны и пассивными элементами . Шлейф вносит реактивное сопро- тивление, противоположное по знаку сопротивлению, возникающему в антенне при изменении частоты, таким образом происходит частична компенсаци реактивности антенны, что расши- р ет полосы частот ее эффективного излучени .

Однако известна антенна вл етс четвертьволновым излучателем, поэтому в декаметровом диапазоне длин волн ее габариты достаточно велики, а коэффициент перекрыти по частоте мал, что ограничивает область ее применени .

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству вл етс укороченна антенна с коаксиальными лини ми в качестве антенных элементов, котора содержит N (N 1,2,3...) антенных элементов, выполненных в виде коаксиальных линий длиной в четверть рабочей длины волны, разделенных на п (п 1,2,3...) дискретных, расположенных параллельно сегментов, причем внутренний про- волник одного соединен последовательно с внешним проводником соседнего сегмента, а его внешний проводник - с внутренним проводником соседнего, образу последовательное соединение сег ментов, коаксиальную линию питани , соединенную с согласующим устройством один выходной контакт которого соединен с противовесом, а второй - с внут

ренним проводником первого сегмента первого антенного элемента.

Известна антенна имеет малые габариты и эффективно излучает на резонансной частоте. /1л достижени эффективного излучени на N частотах предлагаетс несколько вариантов ло- гопериодических антенн, каждый элемент которых заменен на известную антенну . Такие логопериодические антенQ 5 0

5

о

0

5

0

5

ны обладают высокой направленностью и позвол ют уменьшить размер антенны только в одном направлении, так как известно, что дл обеспечени широко- полосности минимальна длина логопе- риодической антенны должна быть больше 0,6 . Поэтому проста замена элементов логопериодической структуры на известные антенны позвол ет уменьшить ее габариты в одном направлении.

Целью изобретени вл етс Формирование всенаправленной в азимутальной плоскости диаграммы направленности при повышении КПЛ.

Цель достигаетс тем,- что R многочастотной малогабаритной антенне, содержащей N (N 1,2,3...) расположенных над противовесом, соединенных последовательно антенных элементов, выполненных в виде коаксиальных линий, разделенных на п (п 1,2,3...) дискретных , расположенных параллельно сегментов, причем внутренний проводник одного соединен последовательно с внешним проводником соседнего сегмента , а его внешний проводник - с внутренним проводником соседнего, образу последовательное соединение сегментов , коаксиальную линию питани , / соединенную с блоком согласовани , один выходной контакт которого соединен с противовесом, а второй - с внутренним проводником первого сегмента первого антенного элемента, кроме этого антенные элементы располагаютс в N этажей но изолированной внешней поверхности первой провод щей трубы высотой Нс Хдд ц А, где Х миц - минимальна длина волны рабочего диапазона , внутри которой располагаетс коаксиально втора труба, верхний конец которой соединен подвижным дисковым короткозамыкателем с внутренней поверхностью первой провод щей трубы, а нижний конец, установленный на изол торе, соединен с противовесом через регулируемый реактивный элемент, причем центральный проводник последнего сегмента последнего этажа соединен с первой провод щей трубой. Размещение антенных элементов в N этажей при настройке каждого этажа, с учетом взаимного вли ни соседних этажей и провод щей трубы, на свою резонансную частоту позвол ет формировать всенаправленную в азимутальной плоскости диаграмму направленности.

717

Введение провод щей трубы, обладающей по сравнению с сегментами антенных элементов значительно большим КПД, так как ее размеры значительно превышают размеры сегментов, в услови х сильной св зи трубы с антенными элементами повышает КПД антенны .

Отрезок короткозамкнутой линии длиной ,H М, образованный двум коаксиально расположенными про- вод 1чими трубами и подвижным дисковым корогкозамыкателем, во всем ра- бомсм диапазоне частот носит индуктивный характер. Он позвол ет совместно с регулируемым реактивным элементом уменьшить величину и изменение реактивного сопротивлени антенны . Таким образом,введение коротко-

замкнутого шлейфа и регулируемого реактивного элемента существенно улучшает согласование антенны с питающим фидером.

На фиг. 1 схематически изображена предложенна антенна; на фиг.2 - схема соединений кабельных антенных сегментов и элементов, на фиг.З - электрическа схема двухчастотной. антенны ,1 на фиг. k - предложенна антенна , выполненна на полосковых лини х .

Многочастотна малогабаритна антенна содержит два отрезка провод щей трубы: наружный 1 и внутренний 2 провод щий диск 3, соедин ющий внутреннюю поверхность наружной трубы с внешней поверхностью внутренней, изол тор k, соедин ющий нижний конец , внутренней трубы 2 с противовесом 5, N (N 1,2,3...) антенных элементов 6, расположенных в N этажей на внешней поверхности наружной трубы 1, коаксиальную линию питани 7, соединенную с блоком согласовани 8, обща шина 9 которого соединена с противовесом 5, а потенциальна шина 10 - с входом 11 первого антенного элемента, выход 12 которого соединен с входом 11 второго антенного элемента , а его выход 12 - с входом 11 последующего антенного элемента. Вход 12 последнего антенного элемента соединен с наружной трубой 1.

Каждый антенный элемент содержит п (п 1,2,3...) дискретных, расположенных параллельно сегментов 13, выполненных из отрезков коаксиально го кабел . Начало внутреннего про

8

5

0

водника первого сегмента соединено с входом 11 антенного элемента 6, а его конец соединен с началом внешнего проводника 15 второго сегмента . Конец внешнего проводника 15 первого сегмента соединен с началом внутреннего проводника второго сегмента. Конец внутреннего проводника второго сегмента соединен с началом внешнего проводника 15 третьего сегмента . Конец внешнего проводника 15 второго сегмента соединен с началом внутреннего проводника третьего сегмента и т.д. Конец внутреннего проводника последнего сегмента соединен с выходом антенного элемента 12. Нижний конец внутренней трубы 2 соединен с противовесом через регулируемый реактивный элемент 16.

Предложенна антенна работает следующим образом.

Антенна возбуждаетс разностью потенциалов, создаваемой генератором на входе 1-го антенного элемента . Каждый антенный элемент 6 представл ет собой резонансную систему, эквивалентную колебательному контуру , с собственным реактивным сопротивлением X нием г, г.

активным сопротивле 1П 4Ј

противление тепловых

где

in

- сопотерь , г

15

сопротивление излучени .антенного элемента. Труба 1 также может быть представлена в виде эквивалентного колебательного контура с активным

0

5

сопротивлением . - п

0

гг г7П + r2g: и реактивным сопротивлением Х, которое дл трубы длиной 1 - А/4 носит емкостной характер. Каждый антенный элемент 6 настроен с учетом вносимых сопротивлений соседних элементов на свою резонансную частоту. Первый со стороны генератора антенный элемент настроен на верхнюю частоту рабочего диапазона, а последний - на нижнюю. Расположение антенных элементов в вертикальной плоскости значительно ослабл ет паразитные св зи между ними. Однако по отношению к трубе 1, от которой антенные элементы изолированы, они расположены параллельно, благодар чему обеспечиваетс реактивна св зь каждого антенного элемента с трубой. При чисто реактивной св зи мгжду колебательными контурами )С,2 активные составл ющие вносимых сопротивлений всег

да положительные, а реактивные составл ющие Х,,вни Х-2ЬН имеют знаки, противоположные знакам реактивных противлений Х2г Х7 и хи

Ху + X/; ВТОРИЧНОГО (трубы) И

первичного (антенного элемента) котуров соответственно. По мере приближени частоты генератора к резонансной частоте антенного элемента т1 ей возрастает, стрем сь к максимальному значению MQ)cC . Xi2/r « a гъи стремитс к нулю. В свою очередь, если частота будет приближатьс к резонансной частоте вторичного контура (трубы), бдет расти , стрем сь к

Г4 ей. лдаке XVr2 a Чем бУЛет стремитьс к нулю. Токи в антенно элементе бив трубе 1 пропорцио- нальны ЭДС генератора, поэтому максимуму тока в антенном элементе 6 булет соответствовать максимум тока в трубе 1. Оптимальное сопротивление св зи X 2. выбираетс из услови , что при резонансе собственное сопротивление антенного элемента равно сопротивлению, комплексно сопр женному с сопротивлением , вносимым из трубы 1 в антен- ный элемент 6. При этом квадрат отношени токов в антенном элементе и трубе будет равен ,, л энерги источника булет поровну распредел тьс между ними. Поэтому КП/1 антенны при резонансе и оптимальной св зи равно полусумме КПД трубы и антенного элемента.

КПД предложенной антенны из-за относительно высоких потерь в ан- тенных элементах в основном определ етс трубой, которую сравнительно легко реализовать с высоким КП/1. Обеспечиваетс согласование антенны с генератором на ре- зонансных частотах каждого антенног элемента. I

Возбуждение антенных элементов

производитс в следующей последова- тельности. На верхней частоте рабочего диапазона резонирует первый со стороны генератора антенный элемент . При этом реализуетс оптимальна св зь первого антенного элемента 6 и трубы 1, а энерги щеточника распредел етс практически поровну между ними. В другие антенные элементы поступает мала

5

0 0 5

часть энергии источника, так как они имеют на этой частоте большое реактивное сопротивление и не согласованы с генератором. При понижении частоты увеличиваютс собственные емкостные сопротивлени трубы и первого антенного элемента и уменьшаютс индуктивные сопротивлени последующих антенных элементов. При резонансе на второй рабочей частоте реализуетс оптимальна св зь между трубой и первыми двум антенными элементами и примерно половина энергии источника передаетс трубе 1. Третий и последующие антенные элементы при этом остаютс рассогласованными с генератором и к ним поступает мала дол энергии генератора. При дальнейшем понижении частоты продолжают расти собственные емкостные сопротивлени трубы и первых антенных элементов . Однако, так как в сильно св занных резонансных цеп х вносимые реактивные сопротивлени имеют противоположные знаки, это позвол ет уменьшить реактивные сопротивлени и реализовать оптимальную св зь и на более низких рабочих частотах последующих антенных элементов.

Последний антенный элемент нагружен на емкость трубы 1, котора на самой низкой частоте рабочего диапазона выполн ет роль N + 1 антенного элемента. Следует отметить, что каждый антенный элемент и их совокупность резонируют и на своих более высоких гармониках.

. В качестве примера конкретной реализации на фиг.З приведена электрическа схема двухэлементной антенны. Каждый антенный элемент 6 состоит из трех сегментов 13. Труба 1 изображена схематически в виде емкостной нагрузки выхода 12 второго элемента 6. Дл упрощени на фиг. 3 не показаны цепи сопротивлений св зи индуктивного шлейфа и реактивного/сопротивлени между антенной и противовесом. При возбуждении входа 11 первого антенного элемента 6 по внутреннему проводнику первого сегмента течет ток, показанный стрелкой, который вызывает на внутренней поверхности внешнего проводника коаксиального отрезка кабел 13 противофазный ток. Так как внешний проводник заземлен, то по его внешней поверхности потечет ток того же направлени , что и

11

ток, протекающий по внутреннему проводнику . На перекрестном соединении сегментов ток центрального проводника первого сегмента переходит на вненюю поверхность наружного проводника соседнего сегмента, мен при этом свою фазу на противоположную, а ток внешней поверхности внешнего проводника первого сегмента переходит на внутренний проводник второго сегмента, также мен фазу на противоположную. Аналогична картина наблюдаетс при перекрестном соединении остальных сегментов. Выходной ток первого антенного элемента возбуждает вход 11 второго антенного элемента. Распределение тока во втором антенном элементе аналогично распределению в первом. Труба 1 вл етс емкостной нагрузкой дл последнего сегмента второго антенного элемента и,no-существу, третьим односегментным антенным элементом. Совместно с трубой 2 она одновременно вл етс компенсирующим индуктивным шлейфом дл всех антенных элементов.

Таким образом, на резонансной частоте антенного элемента, определ емой суммарной геометрической длиной всех его сегментов, вносимыми сопротивлени ми соседних антенных элементов, короткозамкнутого

шлейфа и реактивности между антенной с короткозамыкателем 3. Начало внути противовесом, все токи на внешних (излучающих) поверхност х внешних проводников 15 сегментов 13 синфазны, что при оптимальной св зи обеспечивает эффективность излучени . На частотах,отличных от резонансных , эффективность излучени антенны резко уменьшаетс за счет нарушени оптимальной св зи и син- фазности токов на поверхност х сегментов ввиду дополнительных фазовых сдвигов, обусловленных реактивност - ми сегментов. Мала св зь между антенными элементами обусловлена многоэтажным расположением антенных элементов и разрывом наружного проводника при этажном расположении антенных элементов.

Регулируемый реактивный элемент 16, включенный между противовесом и нижним концом трубы 2, позвол ет эффективно регулировать входной импеданс антенны.

40

45

реннего проводника 2 соединено через регулируемый реактивный элемент 16 с противовесом 5.

Каждый антенный элемент 6 содержит п (п 1,3,5...) дискретных, расположенных параллельно сегментов 13, выполненных в виде несимметрииных полосковых линий. Начало дорожки 1 первого сегмента соединено с входом 11 антенного элемента 6, а его конец соединён с началом подложки 15 второго сегмента. Конец подложки 15 первого сегмента соединен с началом дорожки 1V второго сегмента, конец 50 дорожки 1V второго сегмента соединен с началом подложки третьего сегмента , конец подложки 15 второго сегмента соединен с началом дорожки третьего сегмента и т.д. Конец дорожки последнего сегмента соединен с выходом 12 антенного элемента . Сегменты, расположенные на первой наружной обкладке 3 симметричной линии, соединены с сегментами, рас55

5

10

70592812

Следует отметить, мто подобно | тому, как из двух несимметричных штыревых антенн может быть образована симметрична антенна на ту же резонансную частоту, из двух одинаковых предложенных антенн при противофазной запитке может быть составлена симметрична многочастотна малогабаритна антенна.

На фиг. схематически изображена многочастотна антенн на поло- сковых лини х.

Многочастотна малогабаритна антенна содержит симметричную поло- сковую линию, образованную двум провод щими наружными обкладками 1 и внутренним проводником 2(, котора . замкнута на конце короткозамыкателем 3, изол тор , соедин ющий нижний конец линии с противовесом 5, .N (N 1,2,3...) антенных элементов 6, расположенных в N этажей на изолированных внешних поверхност х наружных обкладок 1, коаксиальную линию питани 7. соединенную с блоком согласовани 8, обща шинл Я которого соединена с противовесом 5, потенциальна шина 10 - с входом 11 первого антенного элемента, выход 12 которого соединен с входом 11 второго антенного элемента, а его выход 12 - с входом 11 последующего антенного элемента. Выход 12 последнего элемента соединен

20

25

30

0

5

Каждый антенный элемент 6 содержит п (п 1,3,5...) дискретных, расположенных параллельно сегментов 13, выполненных в виде несимметрииных полосковых линий. Начало дорожки 1 первого сегмента соединено с входом 11 антенного элемента 6, а его конец соединён с началом подложки 15 второго сегмента. Конец подложки 15 первого сегмента соединен с началом дорожки 1V второго сегмента, конец 0 дорожки 1V второго сегмента соединен с началом подложки третьего сегмента , конец подложки 15 второго сегмента соединен с началом дорожки третьего сегмента и т.д. Конец дорожки последнего сегмента соединен с выходом 12 антенного элемента . Сегменты, расположенные на первой наружной обкладке 3 симметричной линии, соединены с сегментами, рас5

положенными но второй обкладке 3 с помощью внешних перемычек 17.

Антенна, реализованна на полос - ковых лини х, работает аналогично описанной выше антенне, выполненной на коаксиальных лини х. В ней обкладки 1 выполн ют роль трубы, а поло- сковые линии, образованные дорожками 1 и подложками 15 , - роль сегментов .

Техническа эффективность предложенного устройства по сравнению с прототипом состоит в формировании всенаправленной в азимутальной плоскости диаграммы направленного при повышении КП/1. Важным преимуществом предложенной антенны по сравнению с прототипом вл етс использование оптимально св занной трубы с антенными элементами, обладающей высоким коэффициентом полезного действи , что позвол ет использовать предложенную антенну при длине сегментов значительно меньших длин волны.

формула изобретени

Многочастотна малогабаритна антенна , содержаща N (N 1,2,3...) расположенных над противовесом, соединенных последовательно антенных элементов, выполненных каждый в виде коаксиальной линии, разделенной на п (п 1,2,3...) дискретных, расположенных параллельно сегментов, причем внутренний проводник одного соединен последовательно с внешним проводником соседнего сегмента, а его внешний проводник - с внутренним проводником соседнего сегмента, образу последовательное соединение сегментов, коаксиальную линию питани , соединенную с блоком согласовани , один выходной контакт которого соединен с противовесом , а второй - с внутренним, проводником первого антенного элемента , от личающа с тем,

5 что, с целью формировани всенаправленной в азимутальной плоскости диаграммы направленности при повышении КП/1.1 антенные элементы расположены в N этажей из изолированной

0 внешней поверхности первой провод щей трубы высотой Н 0,25 А мик ) где ,у,ин - минимальна длина волны рабочего диапазона, внутри которой коаксиально расположена втора про5 вод ща труба, верхний конец которой соединен подвижным дисковым коротко- замыкателем с внутренней поверхностью первой провод щей трубы, а нижний конец, установленный на изол торе,

Q соединен с противовесом через регулируемый реактивный элемент, причем внутренний проводник последнего сегмента последнего антенного элемента соединен с первой провод щей трубой .

5

Ј2Пф

8Z6SOЈl

Claims

формула изобретения

Многочастотная малогабаритная антенна, содержащая Ν (N = 1,2,3...) расположенных над противовесом, соединенных последовательно антенных элементов, выполненных каждый в виде коаксиальной линии, разделенной на η (η = 1,2,3...) дискретных, располо женных параллельно сегментов, причем внутренний проводник одного соединен последовательно с внешним проводником соседнего сегмента, а его внешний проводник - с внутренним проводником соседнего сегмента, образуя последовательное соединение сегментов, коаксиальную линию питания, соединенную с блоком согласования, один выходной контакт которого соединен с противовесом, а второй - с внутренним, проводником первого антенного элемента, от личающаяся тем, что, с целью формирования всенаправленной в азимутальной плоскости диаграммы направленности при повышении КПД, антенные элементы расположены в N этажей из изолированной внешней поверхности первой проводящей трубы высотой Н< 0,25 'λ ^_И1< , где Ά _мин - минимальная длина волны рабочего диапазона, внутри которой коаксиально расположена вторая проводящая труба, верхний конец которой соединен подвижным дисковым короткозамыкателем с внутренней поверхностью первой проводящей трубы, а нижний конец, установленный на изоляторе, соединен с противовесом через регулируемый реактивный элемент, причем внутренний проводник последнего сегмента последнего антенного элемента соединен с первой проводящей трубой .