КОМПАКТНЫЙ ШИРОКОДИАПАЗОННЫЙ КОНИЧЕСКИЙ НЕСИММЕТРИЧНЫЙ ВИБРАТОР

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенной технике, и может быть использовано в качестве приемных и/или передающих антенн широкодиапазонных УКВ-радиостанций и навигационных систем типа "GPS" и "ГЛОНАСС".

Известен конический несимметричный вибратор («Антенны УКВ» под ред. Г.З. Айзенберга, 4.1. М., «Связь», 1977, стр.183-185), состоящий из полого металлического конуса высотой Н с углом при вершине α, установленного вертикально над проводящей плоской поверхностью и обращенным к ней вершиной, дополнительного металлического конуса высотой h и с углом при вершине β. Основания полого металлического конуса и дополнительного металлического конуса конгруэнтны, обращены друг к другу и электрически соединены. Коаксиальный фидер подключен центральным проводником к вершине полого металлического конуса, а экранной оболочкой к проводящей поверхности, над которой он установлен. Включение в состав конического несимметричного вибратора дополнительного металлического конуса позволяет увеличить значение максимальной длины рабочей волны λ_max, на которой обеспечивается требуемый уровень согласования антенны с возбуждающим фидером.

К недостаткам данного устройства относятся:

- относительно большие электрические вертикальные размеры устройства;

- относительно большие габаритные поперечные размеры устройства;

- не рассматривается вопрос ограничения рабочего диапазона в области коротких длин волн;

- невозможность расширения частотного диапазона антенны путем размещения в габаритах исходного конического несимметричного вибратора совмещенной с ним конструктивно второй антенны дополнительного частотного диапазона.

Известен шунтовой конический несимметричный вибратор («Коротковолновые антенны» под ред. Г.З. Айзенберга, М., "Связь", 1985, стр.212-222). В данном устройстве металлическую поверхность полого металлического конуса в ряде точек соединяют электрическими проводниками - шунтами с проводящей плоской поверхностью, что позволяет уменьшить высоту вибратора, необходимую для обеспечения требуемого уровня согласования антенны с возбуждающим фидером на максимальной длине рабочей волны λ_max и расширить рабочий диапазон частот за счет улучшения согласования антенны.

К недостаткам данного устройства относятся:

- относительно большие электрические вертикальные размеры устройства, поскольку α - максимальный угол при вершине полого металлического конуса, при котором возможно согласование антенны с возбуждающим фидером на удовлетворительном уровне, не должен превышать 32 угл. град.;

- относительно большие габаритные поперечные размеры устройства;

- не рассматривается вопрос ограничения рабочего диапазона в области коротких длин волн;

- невозможность расширения частотного диапазона антенны путем размещения в габаритах исходного конического несимметричного вибратора совмещенной с ним конструктивно второй антенны дополнительного частотного диапазона.

Известен конический несимметричный вибратор (патент РФ №2448395 H01Q 9/00, 2010 г.), наиболее близкий по своей технической сущности и числу существенных признаков к патентуемому изобретению и выбранный в качестве прототипа. Известное изобретение представляет собою конический несимметричный вибратор в виде полого металлического конуса высотой Н, совпадающей с высотой конического несимметричного вибратора, и углом α при вершине, установленный вертикально над проводящей поверхностью и обращенный к ней вершиной, и дополнительный металлический конус высотой h и углом β при вершине, установленный соосно с полым металлическим конусом. Дополнительный металлический конус помещен внутри полого металлического конуса таким образом, что его вершина совпадает с плоскостью раскрыва полого конуса. Использование дополнительного металлического конуса позволяет увеличить электрическую высоту конического несимметричного вибратора при заданной геометрической высоте Н, т.е. позволяет снизить требования к Н при заданной λ_max. Минимальная высота Н, при которой достигается требуемый уровень согласования антенны по сопротивлению, ограничивается условием Н/λ_max≥0,3.

К недостаткам данного устройства относятся:

- относительно большие электрические вертикальные размеры устройства;

- относительно большие габаритные поперечные размеры устройства;

- не рассматривается вопрос ограничения рабочего диапазона в области коротких длин волн;

- невозможность расширения частотного диапазона антенны путем размещения в габаритах исходного конического несимметричного вибратора совмещенной с ним конструктивно второй антенны дополнительного частотного диапазона.

Патентуемое изобретение - компактный широкодиапазонный конический несимметричный вибратор решает задачу создания компактной антенны с минимальной электрической высотой, обеспечивающей в широком диапазоне длин волн выполнение требований к качеству согласования и диаграмме направленности - ДН.

Технический результат - патентуемое изобретение обеспечивает создание однодиапазонных широкополосных конических несимметричных вибраторов с минимальной электрической высотой и уменьшенным одним из габаритных поперечных размеров и позволяет расширять частотный диапазон антенны путем размещения внутри и в габаритах однодиапазонного конического несимметричного вибратора совмещенного с ним конструктивно второго конического несимметричного вибратора более коротковолнового диапазона.

Сущность патентуемого изобретения поясняется описанием вариантов его реализации, чертежами и рисунками, на которых представлены:

Фиг.1. Компактный широкодиапазонный конический несимметричный вибратор.

Фиг.2. Компактный широкодиапазонный конический несимметричный вибратор, вид сверху.

Фиг.3. Конфигурирование компактного широкодиапазонного конического несимметричного вибратора по лекалу формирующего эллиптического цилиндра.

Фиг.4. Однодиапазонный компактный широкодиапазонный конический несимметричный вибратор.

Фис.5 График зависимости величины КСВН от частоты в длинноволновом поддиапазоне.

Рис.6. График зависимости величины КСВН от частоты в коротковолновом поддиапазоне.

Рис.7. Диаграммы направленности в длинноволновом поддиапазоне.

Рис.8. Диаграммы направленности в коротковолновом поддиапазоне.

На фиг.1-8 введены следующие обозначения:

1 - плоская проводящая площадка, 2 - базовый полый металлический конус, 3 - металлический вкладыш, 4 - нижний металлический шунт, 5 - второй полый металлический конус, 6 - верхний металлический шунт, 7 - выводящий металлический шунт, 8 - базовый коаксиальный фидер, 9 - второй коаксиальный фидер, Н - высота базового полого металлического конуса 2, α₁ - угол при вершине базового полого металлического конуса 2, H₁ - высота установки основания металлического вкладыша 3 над плоской проводящей площадкой 1, h₁ - высота вкладыша 3 в виде металлического конуса, β - угол при вершине вкладыша 3 в виде металлического конуса, h₂ - высота второго полого металлического конуса 5, α₂ - угол при вершине второго полого металлического конуса 5, L - длина выводящего металлического шунта 7.

Патентуемое изобретение - компактный широкодиапазонный конический несимметричный вибратор имеет различные варианты реализации. Выбор конкретной реализации изобретения обусловлен функциональными задачами и областью его практического использования.

1. Компактный широкодиапазонный конический несимметричный вибратор, объединяющий в одном приборе конический несимметричный вибратор длинноволнового поддиапазона и конический несимметричный вибратор коротковолнового поддиапазона.

Компактный широкодиапазонный конический несимметричный вибратор состоит, как показано на фиг.1, фиг.2, из плоской проводящей площадки 1, базового полого металлического конуса 2 высотой H и с углом при вершине α₁, который установлен над плоскостью плоской проводящей площадки 1, обращен к ней вершиной и ось которого перпендикулярна плоской проводящей площадке 1, металлического вкладыша 3, нижних металлических шунтов 4, второго полого металлического конуса 5 высотой h₂ и с углом при вершине α₂, верхних металлических шунтов 6, выводящего металлического шунта 7, базового коаксиального фидера 8, центральный проводник которого подключен к вершине базового полого металлического конуса 2, а внешний проводник к плоской проводящей площадке 1, второго коаксиального фидера 9, центральный проводник которого подключен к вершине второго полого металлического конуса 5, а внешний проводник к металлическому вкладышу 3.

Решение поставленной технической задачи достигается следующим образом.

Устанавливают внутри базового полого металлического конуса 2 металлический вкладыш 3 в виде плоской металлической вставки. Металлический вкладыш 3 устанавливают встык с внутренней поверхностью базового полого металлического конуса 2 на высоте H₁ над плоской проводящей площадкой 1 и параллельно ей. Периметр металлического вкладыша 3 электрически соединяют с внутренней поверхностью базового полого металлического конуса 2. Установка вкладыша 3 позволяет несколько уменьшить физическую высоту Н, необходимую для обеспечения требуемого уровня согласования антенны с базовым коаксиальным фидером 8 на максимальной длине рабочей волны λ_max, поскольку увеличивает эквивалентный путь тока проводимости в компактном широкодиапазонном коническом несимметричном вибраторе, увеличивая его электрическую высоту.

Соединяют нижними металлическими шунтами 4, перпендикулярными плоской проводящей площадке 1, поверхность базового полого металлического конуса 2 с проводящей площадкой 1, что при заданной λ_max позволяет дополнительно уменьшить физическую высоту Н, необходимую для обеспечения требуемого уровня согласования антенны с базовым коаксиальным фидером 8, и несколько расширить рабочий диапазон длин волн за счет расширения коротковолновой области длинноволнового поддиапазона.

Введение в состав компактного широкодиапазонного конического несимметричного вибратора плоского металлического вкладыша 3 позволило установить внутри базового полого металлического конуса 2 второй полый металлический конус 5 без увеличения общей высоты Н такой сборной конструкции. Металлический вкладыш 3 служит одновременно и конструктивной опорой для второго полого металлического конуса 5 и электрическим экраном.

Второй полый металлический конус 5 устанавливают над поверхностью металлического вкладыша 3 внутри и соосно с базовым полым металлическим конусом 2. Второй полый металлический конус 5 обращен вершиной к металлическому вкладышу 3. Соединяют верхними металлическими шунтами 7, перпендикулярными металлическому вкладышу 3, поверхность полого металлического конуса 7 с металлическим вкладышем 3. Высоту h₂ и высоту H₁ выбирают так, чтобы выполнялось условие h₂+H₁≤H.

Установка внутри базового полого металлического конуса 2 над поверхностью металлического вкладыша 3 второго полого металлического конуса 5 позволило реализовать компактный широкодиапазонный конический несимметричный вибратор, рабочий диапазон которого состоит из двух поддиапазонов - длинноволнового поддиапазона, сигнал которого проходит по базовому коаксиальному фидеру 8, и коротковолнового поддиапазона, сигнал которого проходит по второму коаксиальному фидеру 9.

Для исключения влияния на работу компактного широкодиапазонного конического несимметричного вибратора второго коаксиального фидера 9, второй коаксиальный фидер 9 помещают в экранированное пространство. Устанавливают перпендикулярно плоскости плоской проводящей площадки 1 выводящий металлический шунт 7, который изготавливают в виде полой трубки длиной L<H₁. Металлический шунт 7 электрически соединяет базовый полый металлический конус 2 с плоской проводящей площадкой 1. По оси выводящего металлического шунта 7 делают отверстия в базовом полом металлическом конусе 2 и в плоской проводящей площадке 1. Второй коаксиальный фидер 9 выводят из компактного широкодиапазонного конического несимметричного вибратора, как показано на фиг.1, за пределы плоской проводящей площадки 1 через область, ограниченную поверхностью металлического вкладыша 3 и внутренней поверхностью базового полого металлического конуса 2 со стороны его вершины, через отверстие в базовом полом металлическом конусе 2, через выводящий металлический шунт 7 и через отверстие в плоской проводящей площадке 1.

В компактном широкодиапазонным коническом несимметричном вибраторе используют базовый полый металлический конус 2, у которого симметрично относительно плоскости симметрии, проходящей перпендикулярно плоской проводящей площадке 1 через ось базового полого металлического конуса 2, устранена часть со стороны его основания и контур его проекции на плоскость плоской проводящей площадки 1 представляет вытянутую фигуру с продольным размером в плоскости симметрии - D=2Htgα₁ и поперечным размером в направлении, перпендикулярном плоскости симметрии, - d.

Используют металлический вкладыш 3, внешняя часть которого устранена симметрично относительно плоскости симметрии, а контур ее проекции на плоскость плоской проводящей площадки 1 представляет вытянутую фигуру с продольным размером в плоскости симметрии - D₁=2H₁tgα₁ и поперечным размером в направлении, перпендикулярном плоскости симметрии, - d₁, при этом в области, в которой боковая поверхность полого металлического конуса 2 не устранена, металлический вкладыш 3 представляет собой круг диаметром D₁=2H₁tgα₁.

Используют второй полый металлический конус 5, у которого симметрично относительно плоскости симметрии устранена часть со стороны его основания и контур его проекции на плоскость плоской проводящей площадки 1 представляет вытянутую фигуру с продольным размером в плоскости симметрии - D₂=2h₂tgα₂ и поперечным размером в направлении, перпендикулярном плоскости симметрии, - d₂.

В качестве одного из вариантов базового полого металлического конуса 2, металлического вкладыша 3 и второго полого металлического конуса 5 используют базовый полый металлический конус 2, металлический вкладыш 3 и второй полый металлический конус 5, у которых как показано на фиг.3, устранены части, расположенные вне поверхности формирующего эллиптического цилиндра, ось которого проходит через вершину полого металлического конуса, перпендикулярна его оси и лежит в плоскости симметрии, а уравнение формирующего эллиптического цилиндра имеет вид , где ось Z совпадает с осью базового полого металлического конуса, а величину b определяют по формуле .

Использование сформированных таким образом базового полого металлического конуса 2, металлического вкладыша 3 и второго полого металлического конуса 5 позволяет дополнительно уменьшить при заданной λ_max физическую высоту Н, необходимую для обеспечения требуемого уровня согласования антенны с коаксиальным фидером 8, несколько расширить рабочий диапазон длин волн за счет расширения коротковолновой области длинноволнового поддиапазона, в которой выполняются требования к ДН.

Общее уменьшение физической высоты Н и уменьшение поперечного размера d базового полого металлического конуса 2 позволяет обеспечить выполнение требований к ДН на более коротких длинах волн и, тем самым, расширить длинноволновый поддиапазон компактного широкодиапазонного конического несимметричного вибратора.

Кроме того, уменьшение поперечного размера d полого металлического конуса 2 позволяет уменьшить габаритный поперечный размер компактного широкодиапазонного конического несимметричного вибратора.

Для обеспечения заявленного технического результата необходимо выполнение следующих условий.

Высоту Н базового полого металлического конуса выбирают из условия H/λ_max≥0,08, где λ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона волн. λ_min1 - минимальную длину волны длинноволнового поддиапазона рабочего диапазона волн выбирают из условия H/λ_min1≤0,4, λ_max2, λ_min2 - максимальную и минимальную длину волны коротковолнового поддиапазона рабочего диапазона волн выбирают из условий H/λ_max2≥0,7, H/λ_min2≤1,2 соответственно. Высоту H₁ выбирают из условия . Углы α₁ и α₂ выбирают в интервалах α₁=45÷65 угл.град., α₂=45÷60 угл.град. Соотношение высот h₂ и Н выбирают в интервале . Размер d выбирают из условия . Размер d₁ выбирают из условия . Размер d₂ выбирают из условия .

2. Актуальным вариантом патентуемого изобретения является компактный широкодиапазонный конический несимметричный вибратор, предназначенный для работы в качестве однодиапазонной антенны.

Компактный широкодиапазонный конический несимметричный вибратор состоит, как показано на фиг.4, из плоской проводящей площадки 1, базового полого металлического конуса 2 высотой Н и с углом при вершине α₁, который установлен над плоской проводящей площадкой 1, обращен к ней вершиной и ось которого перпендикулярна плоскости плоской проводящей площадки 1, металлического вкладыша 3, который представляет собой металлический конус высотой h и с углом при вершине β, нижних металлических шунтов 4 и базового коаксиального фидера 8, центральный проводник которого подключен к вершине базового полого металлического конуса 2, а внешний проводник к плоской проводящей площадке 1.

Конструкция второго варианта изобретения проще первого, в ее составе отсутствуют (см. фиг.1) второй полый металлический конус 5, второй коаксиальный фидер 9 и выводной металлический шунт 7, отсутствуют выводные отверстия для второго коаксиального фидера 9 в базовом полом металлическом конусе 2 и плоской проводящей площадке 1.

Использование металлического вкладыша 3 в виде металлического конуса может позволить дополнительно несколько уменьшить физическую высоту Н, необходимую для обеспечения требуемого уровня согласования антенны с коаксиальным фидером 5 на максимальной длине рабочей волны λ_max.

Металлический вкладыш 3 в виде металлического конуса устанавливают внутри базового полого металлического конуса 2 соосно с ним и встык с его внутренней поверхностью. Металлический вкладыш 3 устанавливают так, чтобы его основание размещалось на высоте H₁ над плоскостью плоской проводящей площадки 1 и выполнялось условие h₁+H₁≤H. Основание металлического вкладыша 3 электрически соединяют с внутренней поверхностью полого металлического конуса 2.

Соединяют нижними металлическими шунтами 4, перпендикулярными плоской проводящей площадке 1, поверхность базового полого металлического конуса 2 с проводящей площадкой 1,

Используют, как показано на фиг.3, базовый полый металлический конус 2, у которого симметрично относительно плоскости симметрии, проходящей через ось базового полого металлического конуса 2 перпендикулярно плоскости плоской проводящей площадки 1, устранена часть со стороны его основания и контур его проекции на плоскость плоской проводящей площадки 1 представляет вытянутую фигуру с продольным размером в плоскости симметрии - D=2Htgα₁ и поперечным размером в направлении. перпендикулярном плоскости симметрии, - d. Используют металлический вкладыш 3, у которого симметрично относительно плоскости симметрии устранена часть со стороны его основания и контур его проекции на плоскость плоской проводящей площадки 1 представляет вытянутую фигуру с продольным размером в плоскости симметрии - D₁=2H₁tgα₁ и поперечным размером в направлении, перпендикулярном плоскости симметрии, - d₁, при этом в области, в которой боковая поверхность полого металлического конуса 2 не устранена, основание металлического вкладыша 3 представляет собой круг диаметром D₁=2H₁tgα₁.

В качестве одного из вариантов базового полого металлического конуса 2 и металлического вкладыша 3 используют, как показано на фиг.3, базовый полый металлический конус 2 и металлический вкладыш 3, у которых устранены части со стороны оснований, расположенные вне поверхности формирующего эллиптического цилиндра, ось которого проходит через вершину полого металлического конуса, перпендикулярна его оси и лежит в плоскости симметрии, а уравнение формирующего эллиптического цилиндра имеет вид , где ось Z совпадает с осью полого металлического конуса 2, а величину b определяют по формуле .

Для обеспечения заявленного технического результата необходимо выполнение следующих условий.

Высоту Н базового полого металлического конуса выбирают из условия Н/λ_max≥0,08, где λ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона волн. Минимальную длину волны рабочего диапазона волн - λ_min выбирают из условия H/λ_min≤0,4. Высоту H₁ выбирают из условия - . Углы α₁ и β выбирают в Н интервалах α₁=45÷65 угл.град., β=45÷90 угл. град. Высоту h₁ выбирают из условий h₁=0÷0,5H, H≥h₁+H₁. Размер d выбирают из условия . Размер d₁ выбирают из условия .

Реализуемость заявленных для патентуемого изобретения характеристик проверялась математическим моделированием и экспериментально для двухдиапазонного компактного широкодиапазонного конического несимметричного вибратора, совмещающего в одном приборе конический несимметричный вибратор длинноволнового поддиапазона и конический несимметричный вибратор коротковолнового поддиапазона.

Математическое моделирование проводилось для двухдиапазонного компактного широкодиапазонного конического несимметричного вибратора, в котором используется полый металлический конус 2, металлический вкладыш 3 и второй полый металлический 5, у которых устранены части, расположенные вне поверхности формирующего эллиптического цилиндра, ось которого проходит через вершину полого металлического конуса, перпендикулярна его оси и лежит в плоскости симметрии, а уравнение имеет вид . При расчетах полагалось, что Н=187 мм, Н₁=150 мм, h₂=25 мм, α₁=65 угл.град., α₂=60 угл.град., b=Н, волновое сопротивление фидеров ρ=50 Ом.

Результаты расчетов, приведенные на фиг 5÷8, позволяют сделать следующие выводы.

В длинноволновом поддиапазоне у патентуемой антенны при ее работе в приемном режиме, для которого допустимым уровнем КСВН является КСВН≤4, λ_max=2,4 м, что соответствует H/λ_max=0,08, а в передающем режиме, для которого допустимым уровнем КСВН является КСВН≤2, λ_max1,2 м, что соответствует Н/λ_max=0,16 (у прототипа Н/λ_max=0,37). В коротковолновом поддиапазоне при λ_max2=0,25 м, что соответствует Н/λ_max2=0,75, допустимый уровень КСВН антенны обеспечивается как в передающем, так и в приемном режиме.

ДН имеет удовлетворительный вид как длинноволновом поддиапазоне, так и коротковолновом поддиапазоне. Недопустимая изрезанность ДН не наступает в длинноволновом поддиапазоне при λ_min1=0,5 м, что соответствует H/λ_min1=0,4, а в коротковолновом поддиапазоне при λ_min2=0,17 м, что соответствует H/λ_min2=1,1.

Экспериментально подтверждено, что прокладка второго коаксиального фидера 9 через экранированный объем, ограниченный поверхностью металлического вкладыша 3 и внутренней поверхностью базового полого металлического конуса 2 со стороны его вершины, через отверстия в базовом полом металлическом конусе 2 и в металлическом вкладыше 3 и через выводной металлический шунт 7 устраняет влияние коаксиального фидера 9 на работу антенны.

Таким образом, расчетным и экспериментальным путем была подтверждена достижимость заявленного для патентуемого изобретения технического результата.