RU1786565C - Антенна верхнего питани - Google Patents

Abstract

Использование: широкополосные системы радиосв зи дл  подвижных объектов. Сущность изобретени : антенна состоит из вертикального проводника, размещенного вдоль оси провод щего цилиндра из материала с потер ми, установленного на трубчатом основании над экраном. Антенна подключена к коаксиальному кабелю через широкополосный согласующий блок. Соотношение размеров элементов антенны и Ёё- личина потерь провод щего цилиндра выбраны так, что обеспечиваетс  увеличение КПД, улучшение согласовани  и формы ДН в рабочем диапазоне. 7 ил.

Description

Изобретение относитс  к радиотехнике и может быть использовано дл  работы с широкополосными радиопередающими устройствами , Антенна может найти применение в широкополосных радиопередающих комплексах св зи, устанавливаемых на подвижных объектах, поскольку в рабочем диапазоне частот обладает повышенным уровнем коэффициента бегущий волны и улучшенной с точк зрени  условий дл  дальней св зи формой диаграммы направленности с прижатым к земле главным лепестком . . . .

Известна вибраторна  антенна верхнего питани , представл юща  собой вертикальный вибратор, состо щий из верхнего и нижнего излучателей, причем нижний излучатель своим нижним основанием имеет электрический контакт с провод щей плоскостью . Антенна возбуждаетс  в центре с помощью линии передачи, размещенной во внутренней полости нижнего излучател , при этом внутренний проводник линии передачи соединен с верхним излучателем.

Основными достоинствами антенны  в- С/) л ютс  простота и механическа  прочность антенны, что св  зано с отсутствием в ее составе весьма ненадежных опорных изол - торов; больша , чем у штыревых антенн, широкополосность по диаграммам направленности (ДН). Так, у штыревых антенн от- рыв главного лепестка ДН от земли наблюдаетс  уже при длине рабочей волны 00 А 1,6 L (L/ Д 0,625), а у антенны верхнего 0s питани  в зависимости от соотношени  (J между длинами плеч при Я (0,926-0,97) L. Qs

Однако така  антенна имеет ограничен- fn ный рабочий диапазон частот, что объ сн етс  следующими причинами:

1) недостаточна  дл  работы в стандар- . тных диапазонах широкополосность по диаграммам направленности, Так, например, антенна верхнего питани  длиной 12 м с соотношением длин плеч около 3:1 имеет оптимальную форму ДН только до частоты 27 МГц и не может быть использована в стандартном коротковолновом диапазоне 1,5-30 МГц. Помимо этого на частоте, где электрическа  длина верхнего излучател 

становитс  равной 0,5, наблюдаетс  подъем главного лепестка ДН до угла в 30-40°;

2)  рко выраженный резонансный характер частотной характеристики входного КБ В, поскольку антенна фактически  вл етс  резонансной;

3) наличие встроенной фидерной линии, дополнительно снижающей входной КБВ,

Указанные недостатки не позвол ют использовать антенну совместно с широкополосными радиопередающими устройствами ,

Известна антенна верхнего питани , состо ща  из верхнего излучател , выполненного в виде вертикального проводника, и нижнего излучател , выполненного в виде трубчатого основани , электрически соединенного с провод щей плоскостью-гори- зонтальным экраном, На вертикальном проводнике соосно с ним размещена коаксиальна  ступенчата  структура из цилиндрических проводников, соединенных с вертикальным проводником в его нижней точке, причем число проводников не превышает трех. Во внутрен ней полости трубчатого основани  расположён широкополосный согласующий блок, ко входу которого присоединен входной коаксиальный кабель.

Основными достоинствами антенны  вл ютс  расширенный рабочий диапазон частот по диаграммам направленности и значительно более равномерный, чем у вибраторной анте.нны верхнего питани , и повышенный уровень КБВ , что достигаетс  оптимальным выбором размеров антенны и ее элементов и совместным действием ступенчатой структуры из цилиндрических проводников и широкополосного согласующего блока. Така  антенна по техническому решению наиболее близка к за вл емой антенне и может быть выбрана в качестве антенны- прототипа. .

Недостатками антенны-прототипа  вл ютс  следующие:. ,

1) недостаточно высокий уровень КБВ при реализации ее в варианте с одним цилиндрическим проводником. Использование трех проводников усложн ет антенну, делает ее т желой и громоздкой;

2) задирание главного лепестка ДН до угла 30-40° при электрической длине вертикального проводника (с учетом удлин ющего действи  цилиндрических проводников), равной 0,5, что снижает качество св зи.

Таким образом, антенна-прототип не может обеспечить начительное увеличение КБВ и оптимальную с точки зрени  дальней св зи с прижатым к земле главным лепестком форму ДН в пределах рабочего диапазона частот.

Цель изобретени  - увеличение степени входного согласовани  антенны и улучшение формы ее ДН в пределах рабочего диапазона частот.

Цель изобретени  достигаетс  тем, что в антенне, содержащей вертикальный проводник и трубчатое основание, изол тор между ними, соосный с вертикальным проводником и внешний по отношению к нему

цилиндрический проводник, размещенный во внутренней полости трубчатого основани  широкополосный согласующий блок и

входной коаксиальный кабель, указанный цилиндрический проводник выполн етс  из

материала с потер ми и имеет электрический контакт с вертикальным проводником, например, в его верхней точке. Добротность линии, образованной цилиндрическим проводником с потер ми и расположенным

внутри него отрезком вертикального проводника выбираетс  в пределах от 1 до 10. Радиус гв.п. вертикального проводника вы-, бираетс  в пределах от 1/4000 до 1/200 длины антенны L, радиус Гп цилиндрического проводника выбираетс  в пределах от 1/2000 до 1/100 длины антенны L, а электрическа  длина 1ПЭ цилиндрического проводника выбираетс  из услови :

30

1пэ - 0,5 К1в.п.э.

где К - поправочный коэффициент, завис щий от толщины антенны и равный 1,02-1,05; IB.п.э -электрическа  длина вертйкального проводника. .

Вновь введенна  совокупность признаков позвол ет реализовать следующий прием: использование цилиндрического проводника с потер ми позвол ет за счет

изменени  распределени  тока вдоль антенны сделать электрическую длину вертикального проводника отличной от 0,5, в пределах всего рабочего диапазона частот антенны, а следовательно, позвол ет в пределах этого диапазона реализовать ДН оптимальной формы с прижатым к поверхности земли главным лепестком. Кроме того, введение потерь, сопротивление которых  вл етс  частотнозависимым, позвол ет

повысить уровень входного КБВ антенны без заметного снижени  ее коэффициента полезного действи  (КПД), Равномерность частотной характеристики КБВ обеспечиваетс  широкополосным согласующим блоком.

Авторам не известны технические решени , в которых используетс  указанный технический прием. На основании этого авторы считают, что предлагаемое техническое решение обладает существенными отличи ми.

На фиг.1 схематично, изображена предлагаема  антенна; на фиг.2 - схема широкополосного согласующего блока, I вариант; на фиг.З - то же, II вариант; на фиг.4 - распределение тока вдоль антенны; на фиг.5 - входное сопротивление отрезков линий из цилиндрических проводников без потерь и с потер ми; на фиг.б - частотные характеристики КБВ и активных составл ющих входного сопротивлени  излучател  без потерь и с потер ми; на фиг.7 - частотные характеристики КБВ и КПД антенны без потерь и с потер ми.

Предлагаема  антенна состоит из вертикального проводника 1 (фиг.1), трубчатого основани  2, изол тора 3 между ними, широкополосного согласующего блока 4, расположенного внутри трубчатого основани , входного коаксиального кабел  5 и цилиндрического проводника 6, соосного с вертикальным проводником 1 и имеющего с ним электрический контакт, например, в его верхней точке 7. Трубчатое основание 2 установлено на горизонтальном экране 8 и имеет с ним электрический контакт.

Вход излучающей части антенны образован точкой 9 и верхней точкой 10 трубчатого основани  2. К входу излучающей части своим выходом 11 через изол тор 3 подключен широкополосный согласующий блок 4, к входу 12 которого подключен входной коаксиальный кабель 5. Кабель 5 может быть выполнен из радиочастотного коаксиального кабел  (как на фиг.1) или образован внутренней поверхностью трубчатого основани  2 и-дополнительным проводником , присоединенным к входу 12 согласующего блока.

Широкополосный согласующий блок (ШСБ) может быть выполнен в двух вариантах . .......

ШСБ по варианту I выполнен в виде лестничной электрической цепи 14 (фиг.2), в продольные и поперечные ветви которой включены реактивные двухполюсники 15, составленные из DC-элементов - индуктив- ностей и емкостей. На фиг.2 дл . примера изображена лестнична  цепь п того пор дка . Зажимы 16,17 образуют ход согласующего блока, а 18,19 - его выход.

ШСБ по варианту II выполнен в виде лестничной электрической цепи 20 (фиг.З), в продольные ветви которой включены реактивные двухполюсники 21, представл ющие собой либо индуктивности, либо параллел ьные LC-контуры. В поперечные ветви включены последовательно соединенные выключатели 22 и реактивные двухполюсники 23, составленные из LC-элементов индуктивностей и емкостей. К входным зажимам 24 и 25 цепи 20 подключена своими выходными зажимами 26 и 27 П-образна  электрическа  цепь 28, в продольную ветвь 5 которой включена переменна  индуктивность 29, а в поперечные ветви включены переменные емкости 30,31. Входные зажимы 32,33 П-образной цепи  вл ютс  входом согласующего блока, а его выходом  вл ют10 с  выходные зажимы 34,35 лестничной электрической цепи,

Обща  д ина антенны L составл ет 0,05-0,2 от максимальной, рабочей длины волны Амакс. При этом если L составл ет

5 около 0,2А макс, то используетс  перва  реализаци  ШСБ, если же L меньше 0,2 Амакс, то используетс  втора  реализаци  ШСБ. Минимальна  рабоча  длина волны антенны Амин составл ет не менее 0,8 L

0 Соотношение длин вертикального проводника 1в.п. и трубчатого основани  0сн ле- жит в пределахот4:1 до 3:1, что необходимо дл  получени  оптимальных по форме ДН в максимально широком диапазоне частот.

5 Радиус трубчатого основани  г0сн лежит в пределах от 1 /200 до 1 /60 от длины антенны , радиус Гв.л, вертикального проводника выбираетс  в пределах от 1 /4000 до 1 /200 от длины антенны L, при этом возможность

0 утоньшени  вертикального проводника по . сравнению с антенной-прототипом обусловлена введением потерь, - Электрическа  длина цилиндрического проводника пэ выбираетс  из услови 

5

пэ 0,5 Кв.п.э,

где К - поправочный коэффициент, завис щий от толщины антенны и равный

0 1,02-1,05.

Указанное условие выбора п.э позвол ет обеспечить, отсечку тока на частотах, где электрическа  длина вертикального, проводника 8.п.э становитс  равной 0,5, и

5 тем самым получить на этих частотах опти мальную форму ДН.

Величина потерь выбираетс  такой, чтобы добротность короткозамкнутой линии 13, образованной цилиндрическим провод0 ником с потер ми и соответствующей частью вертикального проводника, лежала в пределах от 1 до 10. За счет этого удаетс  сделать электрическую длину вертикального проводника отличной от 0,5 в пределах

5 всего рабочего диапазона частот антенны. Кроме того, поскольку указанна  коротко- замкнута  лини  13  вл етс  резонансной системой, то сопротивление ее потерь час- тотнозависимо и позвол ет повысить КБВ

излучающей части йнтенны, уменьшив прежде всего спад КБВ на частоте параллельного резонанса антенны.

Указанные потери могут быть введены за счет выполнени  цилиндрического проводника из материалов с потер ми, например , на основе угольных волокнистых материалов (УВМ), Известные УВМ дел тс  на карбонизированные (температура термообработки 1773-2273 К, содержание углерода 80-99%) и графитированные (температура термообработки до 3273 К, содержание углерода выше 99%). Удельное электрическое сопротивление карбонизированных УВМ составл ет (0,4-70)-105 Ом- м, а графитированных - (0,003-0,6)-105 Ом-М, следовательно, карбонизированные относ тс  к полупроводникам, а графитизирован- ные занимают промежуточное положение между полупроводниками и проводниками. Электропроводность УВМ можно значительно повысить дополнительной металлизацией,

В насто щее врем  серийно выпускаютс  промышленностью различные УВМ, в том числе такие, как шнур углеродистый УЭШ-8, тесьма углеродиста  УЭТ-21, угольные нити Урал-Н-2400, Урал-Т-22Р. Вы-, пускаютс  также полуфабрикаты - препреги, представл ющие собой ленточные УВМ различной ширины, пропитанные неотвержденным эпоксидным св зующим длительного хранени , что позвол ет упростить технологию создани  излучателей с потер ми, и их элементов. Введение потерь в такие излучатели осуществл ют путем на- клеивани  на поверхность излучателей лент-препрегов из УВМ с дальнейшей обработкой (обжимка, окраска и т.п.).

Необходима  величина потерь и характеристика их частотной зависимости обеспечиваетс  выбором длины и поперечного сечени  УВМ (лент, шнуров, нитей).

Предлагаема  антенна работает следующим образом, ,..:.

Как указана выше, при 1в.п.э 0,5 (например , на частоте f0, фиг.5) наблюдаетс  задирание главного лепестка ДН до угла 30-40°. Цилиндрический, четвертьволновый на частоте 10, проводник без потерь, используемый в антенне-прототипе, скорректирует форму ДН на этой частоте путем отсечки (подавлени ) тока (крива  36, фиг.4). Однако за счет размаха положительной ветви своего реактивного входного сопротивлени  (крива  37, фиг.5) он всегда удлинит вертикальный проводник до электрической длины,, равной 0,5 (например, на частоте fi), и задирание ДН будет происходить уже на этой частоте.

При введении потерь в цилиндрический проводник с электрической длиной п.э 0,5 К 1в.п.э входное сопротивление ZBx короткозамкнутого отрезка линии 13 (фиг.1)

имеет вид, изображенный на фиг.5 (крива  38 - активна  составл юща  R Вх, крива  39 - реактивна  составл юща  ХВх входного сопротивлени  ZBX R их + JXBX). Если величина потерь выбираетс  такой, что доброт0 ность отрезка линии 13 лежите пределах от 1 до 10, то на частоте fo за счет всплеска RBX также будет осуществл тьс  подавление тока (крива  36, фиг.4) и коррекци  формы ДН до оптимальной, а за счет уменьшенного

5 размаха Хвх (крива  39, фиг.5) на частоте fi и на других частотах рабочего диапазона уменьшение вертикального проводника до электрической длины, равной 0,5, достигатьс  .не будет. Следовательно, ДН антен0 ны будет иметь оптимальную форму во всем рабочем диапазоне частот,

ШСБ, вход щий в состав антенны, в диапазоне длин волн от 5 L до Амин обеспечивает на своем входе характеристику КБВ,

5 обладающую достаточной равномерностью и повышенным уровнем. Степень равномерности и величина уровн  завис т от наличи  на характеристике КБВ излучающей части антенны, глубоких провалов. При выполне0 нии цилиндрического проводника без потерь такой провал характеристик КБВ . (крива  40, фиг.6) имеет место на частоте параллельного резонанса fnapan за счет значительной величины активной составл ю5 щей входного сопротивлени  (крива  41, фиг.6)..

При введении потерь в цилиндрический проводник величина резонансного сопротивлени  уменьшаетс  (крива  42, фиг.6) и,

0 следовательно, уменьшаетс  глубина провала характеристики КБВ (крива  43, фиг.6). В св зи с этим характеристика входного КБВ антенны с потер ми будет иметь большие равномерность и уровень (крива  44,

5 фиг.7), чем в случае антенны без потерь в цилиндрическом проводнике (крива  45, фиг.7).

Наличие чэстотнозависимых потерь позвол ет улучшить КБВ и форму ДН антенны

0 без заметного ухудшени  ее КПД. На фиг.7 изображена частотна  характеристика КПД (крива  46), имеюща  минимум не хуже 0,6- 0,65 на частоте подавлени  тока и сохран юща  высокий уровень на остальных

5 частотах диапазона..

Широкополосный согласующий блок, используемый в предлагаемой антенне, аналогичен по схеме и функци м блоку, используемому в антенне-прототипе. Если длина, антенны L составл ет около 0,2

Амакс. то используетс  перва  реализаци  широкополосного согласующего блока, представл юща  собой лестничную электрическую цепь 14 (фиг.2), в ветви которой включены реактивные двухполюсники 15. Методы синтеза таких цепей изложены в общедоступной литературе и в большинстве своем основываютс  на оптимизации характеристик этих цепей с помощью ЭВМ. С помощью такого ШСБ можно значительно уменьшить неравномерность кривой 43 (фиг.6) и подн ть ее уровень. Полученна  частотна  характеристика КБВ антенны будет иметь П-обрэзный вид (крива  44, фиг.7).

Если длина антенны меньше 0,2 Ямакс (от 0,05 до 0,2 Амакс), то используетс  втора  реализаци  ШСБ, Это устройство в диапазоне длин волн от Амакс до 5 осуществл ет резонансное согласование антенны, а в диапазоне от 5 L до Амин осуществл ет широкополосное согласование (как и ШСБ по первой реализации). Кроме того, в диапазоне от 5 до Амин осуществл етс  дополнительна  (нар ду с фильтрами передатчика) фильтраци  гармоник излучаемого сигнала.

В диапазоне от 5 L до Амин выключател  22 в поперечных ветв х лестничной электрической цепи 20 ШСБ замкнуты и согласование осуществл етс  этой лестничной цепью, Принцип действи  и методы синтеза этой цепи те же, что и у ШСБ, по первой реализации, однако в продольных ветв х лестничной цепи сто т только индуктивности и (или) параллельные LC-контуры (двухполюсники 21). В этом же диапазоне на базе П-образной электрической цепи 28, вход щей в состав ШСБ, реализуетс  набор ок- тавных фильтров гармоник. Подробно такие фильтры и методы их синтеза описаны в общедоступной литературе (Лондон С.Е. Широкополосные радиопередающие устройства . - М,: Энерги , 1970).

В диапазоне длин волн от Амакс до 5 L выключатели 22 в поперечных ветв х лестничной электрической цепи 20 разомкнуты и эта цепь представл ет собой последовательную ветвь с индуктивным сопротивлением , частично компенсирующим емкостную реактивную составл ющую входного сопротивлени -излучающей части антенны. Основное же резонансное согласование осуществл етс  П-образной электрической цепью 28 и характеристики КБВ антенны имеют вид кривых 47 (фиг.7).

Совместное использование цилиндрического проводника с потер ми заданной величины и широкополосного согласующего блока, выбор соответствующим образом размеров элементов антенны позвол ют достичь цели изобретени .

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Антенна верхнего питани , содержаща  вертикальный проводник, закрепленный посредством изол тора на трубчатом

   основании, установленном на горизонтальном экране, провод щий цилиндр, размещенный коаксиально с вертикальным проводником, коаксиальный кабель и расположенный внутри трубчатого основани 

   широкополосный согласующий блок, выход которого соединен с вертикальным проводником и верхним торцом трубчатого основани , а вход - с коаксиальным кабелем, при этом обща  длина антенны L и длины вертикального проводника в.п. и трубчатого основани  IQCH выбраны из соотношений:

   L (0,05 - 0,2) Амакс : ,81:

   1в.п.Л

   оси

   3-4,

   где Амакс, Амин - максимальна .и минималь- на  длины волны рабочего диапазона, отличающа с  тем, что, с целью улучшени  согласовани  и повышени  КПД, провод щий цилиндр выполнен из материала с потер ми и гальванически соединен с вертикальным проводником, при этом добротность короткозамкнутой коаксиальной линии, образованной провод щим цилиндром и расположенным вдоль его оси отрезком вертикального проводника, составл ет 1-10, а размеры вертикального проводника и провод щего.цилиндра выбраны из соотношений:

   45

   Гв.п. (0,00025 - 0,005) L; гп (0,0005- 0,01) L;

   п.э. 0,5 К 8.п.э,

   где гв.п.,гп - радиусы вертикального проводника и провод щего цилиндра соответственно:

   п.э. - электрическа  длина провод щего цилиндра;

   |в.п.э - электрическа  длина вертикального проводника;

   К 1,02-1,05 - поправочный коэффициент .

   77s sssr

   Фи г. Ц

   Фиг5

   лар0/г. Фиг.6

   Я мм dff

   Фиг.7