RU2046470C1

RU2046470C1 - Antenna

Info

Publication number: RU2046470C1
Authority: RU
Inventors: В.Б. Ахмедов; Е.А. Хаджиогло; Н.М. Корчевский; В.Т. Бекусов
Original assignee: Конструкторское Бюро "Связьморпроект"
Priority date: 1991-08-15
Filing date: 1991-08-15
Publication date: 1995-10-20

Abstract

FIELD: radio communication. SUBSTANCE: antenna includes dipole set above horizontal grounded screen manufactured in the form of tube. Current-carrying conductors are connected to central conductor of coaxial feeder which outer conductor is linked to grounded screen. Cylindrical spiral connected to base of metal pin mounted in vertex of dipole is installed along axis of screen. Noninductive resistor is placed between conductive cylindrical spiral and grounded screen. Conductive element is made in the form of additional section of coaxial feeder with outer conductor formed by two cylinders of equal length. Additional conductors with insulation coat are positioned inside conductive cylindrical spiral and are coupled at one lead to noninductive resistor. Description specified relative dimensions of elements of antenna. EFFECT: enhanced functional capabilities. 2 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в малогабаритных вибраторных антеннах для ведения радиосвязи, навигации в совмещенных рабочих диапазонах: СВ-КВ, КВ-УКВ, УКВ-ДЦВ. The invention relates to antenna technology and can be used in small vibrator antennas for radio communications, navigation in the combined operating ranges: SV-HF, HF-VHF, VHF-HF.

Известны конструкции антенн с включенными в разрыв токоведущего вибратора или имеющими с ним гальванический контакт активными сопротивлениями. Known designs of antennas included in the gap of the current-carrying vibrator or having active resistance with it galvanic contact.

Недостатком конструкций является значительная геометрическая длина: в 2-3 раза больше, чем у обычных вибраторных антенн и малый КПД: 40-50%
В известных конструкциях антенн их электрическая длина ограничена максимальной геометрической длиной токоведущего вибратора, кроме того, они имеют сложную конструкцию, крупногабаритные размеры и низкую надежность, что затрудняет их практическое применение.The disadvantage of the designs is a significant geometric length: 2-3 times longer than conventional vibrator antennas and low efficiency: 40-50%
In known constructions of antennas, their electric length is limited by the maximum geometric length of the current-carrying vibrator, in addition, they have a complex structure, large dimensions and low reliability, which makes their practical application difficult.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой конструкции является антенна, содержащая цилиндрический токоведущий вибратор, во внутренней полости которого вдоль осевой длины расположена цилиндрическая спираль, гальванически разомкнутая на концах с вибратором, соединенная верхним концом с основанием металлического штыря, установленного на вершине вибратора. The closest in technical essence to the proposed design is an antenna containing a cylindrical current-carrying vibrator, in the internal cavity of which along the axial length there is a cylindrical spiral galvanically open at the ends with a vibrator, connected by the upper end to the base of a metal pin mounted on the top of the vibrator.

Недостатком конструкции является малая величина электрического удлинения токоведущего вибратора и соответственно высокий уровень КСВН на входе антенны в диапазоне более длинных волн, кроме того, в конструкции не обеспечено регулирование электрической длины токоведущего вибратора в зависимости от рабочей частоты, вследствие чего на частотах параллельного резонанса увеличивается входное сопротивление (R_вх), что вызывает уменьшение входного тока (I_вх).The design drawback is the small value of the electrical elongation of the current-carrying vibrator and, accordingly, the high level of VSWR at the antenna input in the longer wavelength range, in addition, the design does not provide for the adjustment of the electric length of the current-carrying vibrator depending on the operating frequency, as a result of which the input resistance increases at frequencies of parallel resonance (R _Rin), which causes a decrease of input current (I _Rin).

Указанные недостатки нежелательны, так как уменьшают функциональные возможности малогабаритной геометрически короткой антенны: высокий уровень КСВН ведет к искажению сигнала при прохождении через антенну; уменьшение входного тока при неизменном напряжении возбуждающего генератора уменьшает зону уверенного приема информации и соответственно надежность радиосвязи. These disadvantages are undesirable, as they reduce the functionality of a small geometrically short antenna: a high level of VSWR leads to distortion of the signal when passing through the antenna; a decrease in the input current with a constant voltage of the exciting generator reduces the zone of reliable information reception and, accordingly, the reliability of radio communications.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей геометрически короткой антенны за счет дополнительного увеличения электрической длины, улучшения согласования с волновым сопротивлением коаксиального фидера в диапазоне рабочих частот и внутренним сопротивлением радиоустройства, дополнительного увеличения входного тока на рабочих частотах, что позволит увеличить эффективность работы эксплуатационного радиооборудования и уменьшить количество антенн на объектах, согласующих устройств, устройств коммутации. The aim of the invention is to expand the functionality of a geometrically short antenna due to an additional increase in electric length, better matching with the impedance of the coaxial feeder in the operating frequency range and the internal resistance of the radio device, an additional increase in the input current at the operating frequencies, which will increase the operational efficiency of operational radio equipment and reduce the number of antennas at objects, matching devices, switching devices.

Это достигается тем, что в антенну, содержащую вибратор, установленный над горизонтальным заземленным экраном и выполненный в виде стеклопластиковой цилиндрической трубы с токоведущими проводниками, которые соединены посредством проводящего элемента с центральным проводником коаксиального фидера, внешний проводник которого подсоединен к заземленному экрану, и проводящую цилиндрическую спираль с равномерной намоткой, установленную внутри вибратора по его оси и присоединенную первым концом к основанию металлического штыря, установленного на вершине вибратора, введено безындукционное активное сопротивление, равное волновому сопротивлению коаксиального фидера и включенное между вторым концом проводящей цилиндрической спирали и заземленным экраном, а проводящий элемент выполнен в виде дополнительного отрезка коаксиального фидера с внешним проводником, образованным двумя цилиндрами длиной 0,07λ_в каждый, которые изолированы один от другого и расположены вдоль центрального проводника длиной 0,15 λ_в, подключенного одним концом к вибратору, а другим к центральному проводнику коаксиального фидера, внешний проводник которого соединен с кромкой первого цилиндра, при этом кромка второго цилиндра, обращенная к разомкнутой кромке первого цилиндра, соединена с вторым концом проводящей цилиндрической спирали, где λ_в длина волны верхней рабочей частоты.This is achieved by the fact that in an antenna containing a vibrator mounted above a horizontal grounded shield and made in the form of a fiberglass cylindrical pipe with conductive conductors that are connected by means of a conductive element to the central conductor of the coaxial feeder, the outer conductor of which is connected to the grounded shield, and a conductive cylindrical spiral with uniform winding, mounted inside the vibrator along its axis and attached by the first end to the base of the metal pin, set ennogo atop vibrator introduced non-inductive resistance equal to the characteristic impedance of the coaxial feeder and connected between the second end of the conductive cylindrical spiral and the ground plane, and the conductive member is formed as an additional segment of the coaxial feeder with an outer conductor formed by two cylinders _in each length 0,07λ which are isolated one from the other and located along the central conductor with a length of 0.15 λ _in connected at one end to a vibrator and the other to a to the coaxial feeder conductor, the outer conductor of which is connected to the edge of the first cylinder, while the edge of the second cylinder facing the open edge of the first cylinder is connected to the second end of the conductive cylindrical spiral, where λ _is the wavelength of the upper operating frequency.

Кроме того, введены n дополнительных проводников с изоляционным покрытием и длиной равной (0,25˙ λ_н 0,5˙ λ_в ), которые расположены внутри проводящей цилиндрической спирали и соединены на одном конце с безындукционным активным сопротивлением, при этом диаметр поперечного сечения каждого дополнительного проводника равен диаметру проводника, образующего проводящую цилиндрическую спираль, а расстояние между ними равно их диаметру, где λ_н длина волны нижней рабочей частоты, n 1,2,3.Additionally, introduced n additional conductor with an insulating coating and an equal length (0,25˙ λ _n 0,5˙ λ _c), which are disposed within the conductive cylindrical helix and are connected at one end with an active non-inductive resistor, wherein the diameter of the cross section of each additional conductor is equal to the diameter of the conductor forming a conductive cylindrical spiral, and the distance between them is equal to their diameter, where λ _n the wavelength of the lower operating frequency, n 1,2,3.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая конструкция антенны отличается геометрическими параметрами цилиндрической спирали, выбранными в соответствии диапазона рабочих частот и диаметра поперечного сечения проводника; введенными дополнительно элементами с выбранными геометрическими размерами; электрическими соединениями и электромагнитными связями элементов продукции. Comparative analysis with the prototype shows that the claimed antenna design differs in the geometric parameters of the cylindrical spiral, selected in accordance with the range of operating frequencies and the diameter of the cross section of the conductor; additionally introduced elements with selected geometric dimensions; electrical connections and electromagnetic connections of product elements.

Это позволяет сделать вывод, что заявляемая конструкция антенны соответствует критерию "новизна". This allows us to conclude that the claimed antenna design meets the criterion of "novelty."

Сравнение заявляемого технического решения с известными техническими решениями показывает: известна теория связанных вибраторов, один из которых является пассивным (Надененко С.И. Антенны. М. Связьиздат, 1959, с. 137-139); известна теория петлевых антенн, например шлейф-вибратор Пистолькорса (Овсянников В. В. Вибраторные антенны с реактивными нагрузками. М. Радио и связь, 1985, стр. 16-20); известна теория вертикальных антенн с емкостной нагрузкой наверху (Надененко С.И. Антенны. М. Связьиздат, 1959, с. 280-285). A comparison of the claimed technical solution with the known technical solutions shows: the theory of coupled vibrators is known, one of which is passive (Nadenenko SI Antennas. M. Svyazizdat, 1959, p. 137-139); the well-known theory of loop antennas, for example Pistolkors loop-vibrator (VV Ovsyannikov, Vibrator antennas with reactive loads. M. Radio and communications, 1985, pp. 16-20); the theory of vertical antennas with a capacitive load at the top is known (SI Nadenenko Antennas. M. Svyazizdat, 1959, p. 280-285).

Однако введение указанных элементов, выбранные геометрические параметры и соотношения, выбранное расположение элементов относительно друг друга и электрические соединения обеспечивают заявляемой конструкции проявление новых свойств: режим бегущей волны, способствующий расширению диапазона рабочих частот антенны обеспечен пассивным проводником, соединенным с заземленным экраном посредством безындукционного активного сопротивления, равного по номиналу внутреннему сопротивлению радиоустройства; эквивалентное электрическое удлинение токоведущего вибратора соответственно рабочей частоте равно сумме геометрической длины вибратора и геометрической длины соединенного с заземленным экраном пассивного проводника, при этом входное сопротивление антенны на рабочей частоте дополнительного последовательного резонанса равно номиналу безындукционного активного сопротивления и внутреннего сопротивления радиоустройства; регулирование электрической длиной токоведущего вибратора, имеющего постоянную длину, соответственно рабочей частоте. Это позволяет сделать вывод, что заявляемое техническое решение соответствует критерию "существенные отличия". However, the introduction of these elements, the selected geometric parameters and ratios, the selected arrangement of the elements relative to each other and electrical connections provide the claimed design with the manifestation of new properties: the traveling wave mode, which helps to expand the operating frequency range of the antenna is provided with a passive conductor connected to the grounded shield by means of non-induction active resistance, equal in nominal value to the internal resistance of the radio device; the equivalent electrical extension of the current-carrying vibrator, respectively, to the working frequency is equal to the sum of the geometrical length of the vibrator and the geometrical length of the passive conductor connected to the grounded shield, while the input impedance of the antenna at the working frequency of the additional serial resonance is equal to the nominal value of the induction-free active resistance and internal resistance of the radio device; regulation of the electrical length of the live vibrator having a constant length, respectively, the operating frequency. This allows us to conclude that the claimed technical solution meets the criterion of "significant differences".

На фиг. 1 показан пример выполнения предлагаемой конструкции антенны и приведены оптимальные геометрические размеры приемнопередающей антенны для совмещенного диапазона рабочих частот СВ-КВ: 0,4 30 МГц по уровню КСВН ≅ 3,0; на фиг. 2 изображена: частотная зависимость КСВН, измеренное в основании антенны прототипа (1) и предложенной конструкции (2 с элементами 2, 6, 3 с элементами 2, 3, 6, 7). In FIG. 1 shows an example of the proposed design of the antenna and shows the optimal geometric dimensions of the transceiver antenna for the combined operating frequency range of CB-HF: 0.4 to 30 MHz at the level of VSWR ≅ 3.0; in FIG. 2 shows: the frequency dependence of the VSWR measured at the base of the antenna of the prototype (1) and the proposed design (2 with elements 2, 6, 3 with elements 2, 3, 6, 7).

В таблице приведены данные измерений поля излучения (напряженности поля Е) металлического штыря Н=6 м предложенной конструкции. The table shows the measurement data of the radiation field (field strength E) of the metal pin N = 6 m of the proposed design.

Антенна (см. фиг. 1) содержит токоведущий цилиндрический вибратор 1 геометрической длиной 5000 м (0,5 λ_в ), выполненный в виде, например, стеклопластиковой трубы внешним диаметром 25 мм, внутренним диаметром 20 мм, содержащий заармированную вдоль боковой поверхности металлическую оплетку, цилиндрическую спираль 2, выполненную в виде равномерной намотки медного провода с эмалевым покрытием диаметром поперечного сечения 1,0 мм, шагом намотки 3,0 мм, диаметром витка 10 мм, геометрическая длина провода выбрана с учетом реального выполнения и обеспечения широкополосности в область более низких частот: СВ диапазона, нижняя рабочая частота f_н 1,0 МГц, 0,25 λ_н=75 000 мм, длина провода 75000 мм 5000 мм 70000 мм, осевая длина 5600 мм, штыри 3, выполненные из медного провода с эмалевым покрытием диаметром 1,0 мм, геометрической длиной (l):
1. f' 1,0х4=4 МГц, 0,25 λ^I= 18000 мм, l'=18000 мм 5000 мм 13000 мм, выполнен в виде совмещенной конструкции штыря 5000 мм и цилиндрической спирали шагом намотки 3,0 мм, диаметром витка 10 мм, общая осевая длина 5600 мм.The antenna (see Fig. 1) contains a current-carrying cylindrical vibrator 1 with a geometric length of 5000 m (0.5 λ _in ), made in the form, for example, of a fiberglass pipe with an external diameter of 25 mm, an internal diameter of 20 mm, containing a metal braid reinforced along the side surface , a cylindrical spiral 2 made in the form of a uniform winding of a copper wire with enamel coating with a cross-sectional diameter of 1.0 mm, a winding pitch of 3.0 mm, a coil diameter of 10 mm, the geometric length of the wire is selected taking into account the actual design and provision Broadband lower frequencies: CB band, the lower operating frequency f _n of 1.0 MHz, 0,25 λ _n = 75 000 mm wire length 75000 mm to 5000 mm 70000 mm, the axial length of 5600 mm, pins 3, made of copper enamelled wires with a diameter of 1.0 mm, geometric length (l):
1. f '1.0x4 = 4 MHz, 0.25 λ ^I = 18000 mm, l' = 18000 mm 5000 mm 13000 mm, made in the form of a combined design of a pin 5000 mm and a cylindrical spiral with a winding pitch of 3.0 mm, coil diameter 10 mm, total axial length 5600 mm.

2. f'' 1,0х8=8 МГц, 0,25 λ^II= 9500 мм, l''=9500 мм 5000 мм 4500 мм.2.f '' 1.0x8 = 8 MHz, 0.25 λ ^II = 9500 mm, l '' = 9500 mm 5000 mm 4500 mm.

3. f'''=1,0х12=12 МГц, 0,25 λ^III6000 мм, l'''=6000 мм 5000 мм 1000 мм.3. f '''= 1.0x12 = 12 MHz, 0.25 λ ^III 6000 mm, l''' = 6000 mm 5000 mm 1000 mm.

Кроме того, антенна содержит стеклопластиковую трубу 4 геометрической длиной 15000 мм (0,15 λ_в), внутренним диаметром 80 мм, внешним диаметром 90 мм, заармированный в основании проводящий цилиндр, выполнен из листовой латуни геометрической длиной 1000 мм (0,1 λ_в) с опорным фланцем 5 из легированной стали, безындукционное активное сопротивление 6 типа МОУ 200, ОЖО. 467.026 ТУ, номиналом, например, 75 Ом, установленное во внутренней полости стеклопластиковой трубы 4, имеющей гальванический контакт одним концом с элементами 2, 3 и нижней кромкой верхнего цилиндра, другим концом с донной частью опорного фланца 5, антенный ввод 7 геометрической длиной 1500 мм (0,15 λ_в), выполненной из отрезка коаксиального кабеля, например, РК 75-24-13, волновым сопротивлением 75 Ом, внешний цилиндрический провод в основании имеет гальванический контакт с донной частью опорного фланца 5 и выполнен в виде двух цилиндров геометрической длиной 700 мм, продольная длина поперечного разреза в пределах 20 мм, центральный провод антенного ввода 7 имеет гальванический контакт с металлической оплеткой вибратора 1 и центральным проводником высокочастотного разъема, установленным в донной части опорного фланца 5.In addition, the antenna contains a fiberglass pipe 4 with a geometric length of 15,000 mm (0.15 λ _in ), an inner diameter of 80 mm, an external diameter of 90 mm, a conductive cylinder reinforced at the base, made of brass sheet with a geometric length of 1000 mm (0.1 λ _in ) with a supporting flange 5 of alloy steel, induction-free resistance 6 type MOU 200, ОЖО. 467.026 TU, with a nominal value, for example, 75 Ohm, installed in the inner cavity of the fiberglass pipe 4, having galvanic contact at one end with elements 2, 3 and the lower edge of the upper cylinder, the other end with the bottom of the support flange 5, antenna input 7 with a geometric length of 1500 mm (0,15 λ _c), formed from a length of coaxial cable, for example, RK 75-24-13, characteristic impedance of 75 ohms, an outer cylindrical wire in the base has a galvanic contact with the bottom part of flange 5 and is formed as two geometric cylinder for hydrochloric 700 mm, the longitudinal length of a cross section in the range of 20 mm, the central wire antenna lead 7 has a galvanic contact with metal braid vibrator 1 and the center conductor of high frequency connectors installed at the bottom of the supporting flange 5.

Антенна работает следующим образом, например в передающем режиме; входное напряжение генератора 8 подводится по коаксиальному фидеру и распространяется по коаксиальной линии антенного ввода 7 к излучающему вибратору 1 (см. фиг. 1). Бегущая электромагнитная волна типа ТЕМ распространяется между внутренними поверхностями двух цилиндров антенного ввода 7; подключенный к заземленному экрану посредством активного сопротивления 6 верхний цилиндр антенного ввода дополнительно уменьшает КСВН в полосе частот вибратора 1 без элементов 2 и 3 и приподнимает точку питания вибратора 1 на высоту 0,15 λ_в. Стоячая вода тока рабочей частоты возбуждает верхние части системы пассивных проводников: элементов 2 и 3, вдоль пассивных проводников от верхней части к заземленному экрану распространяется бегущая волна тока той же рабочей частоты, имеющая малый коэффициент отражения от заземленного экрана в случае, если суммарный путь тока эквивалентен 0,25 длины волны рабочей частоты. Вследствие чего входное сопротивление антенны имеет многорезонансный характер, активная составляющая входного сопротивления (R) в пределах номинала активного сопротивления 6.The antenna operates as follows, for example, in transmitting mode; the input voltage of the generator 8 is supplied through a coaxial feeder and propagates along the coaxial line of the antenna input 7 to the emitting vibrator 1 (see Fig. 1). A traveling electromagnetic wave of the TEM type propagates between the inner surfaces of two cylinders of the antenna input 7; the upper cylinder of the antenna input connected to the grounded shield by means of active resistance 6 additionally reduces the VSWR in the frequency band of the vibrator 1 without elements 2 and 3 and raises the power point of the vibrator 1 to a height of 0.15 λ _in . Stagnant water of a working frequency current excites the upper parts of the system of passive conductors: elements 2 and 3, along the passive conductors from the upper part to the grounded screen, a traveling current wave of the same working frequency propagates, having a small reflection coefficient from the grounded screen if the total current path is equivalent 0.25 wavelength operating frequency. As a result, the input impedance of the antenna is multi-resonant in nature, the active component of the input impedance (R) is within the value of the active impedance 6.

На верхних рабочих частотах в пределах 0,5 λ_в антенна работает как полуволновый вибратор, который за счет конструкции антенного ввода 7 и элементов 2, 3, 6 имеет более равномерное распределение тока вдоль геометрической длины (см. фиг. 2).At higher operating frequencies within 0.5 λ _{, the} antenna works as a half-wave vibrator, which due to the design of the antenna input 7 and elements 2, 3, 6 has a more uniform current distribution along the geometric length (see Fig. 2).

Экспериментально установлено, что предложенная конструкция антенны сохраняет электродинамические характеристики в варианте установки вибратора 1 параллельно горизонтальному экрану, что было использовано при разработке антенны для глубоководных аппаратов. It was experimentally established that the proposed antenna design retains the electrodynamic characteristics in the installation option of the vibrator 1 parallel to the horizontal screen, which was used to develop the antenna for deep-sea vehicles.

Экспериментальные исследования (см. фиг. 2) показали, что по сравнению с антеннами аналогичного назначения предложенная конструкция в четыре раза меньше по массогабаритным размерам, имеет более широкий диапазон рабочих частот, более высокий КПД, кроме того, заменяет две антенны: АМС-17 и ШПА-11-2. Experimental studies (see Fig. 2) showed that, in comparison with antennas of similar purpose, the proposed design is four times smaller in mass and dimensions, has a wider range of operating frequencies, higher efficiency, in addition, replaces two antennas: AMC-17 and ShPA-11-2.

Claims

1. ANTENNA, comprising a vibrator mounted above a horizontal grounded shield and made in the form of a fiberglass cylindrical pipe with conductive conductors that are connected by means of a conductive element to the central conductor of the coaxial feeder, the outer conductor of which is connected to the grounded shield, and a conductive cylindrical spiral with uniform winding, mounted inside the vibrator along its axis and connected by the first end to the base of the metal pin mounted on the top of the vibrator Ora, characterized in that a non-induction active impedance equal to the wave impedance of the coaxial feeder and connected between the second end of the conductive cyclic spiral and a grounded shield is introduced, and the conductive element is made in the form of an additional segment of the coaxial feeder with an external conductor formed by two cylinders with a length of 0.07 λ _in each, that are insulated from one another and arranged along the center conductor length of 0.15 · λ _a, connected at one end to the vibrator and the other to the central wire a coaxial feeder, the outer conductor of which is connected to the edge of the first cylinder, while the edge of the second cylinder facing the open edge of the first cylinder is connected to the second end of the conducting cylindrical spiral, where λ _in is the wavelength of the upper operating frequency.

2. The antenna according to claim 1, characterized in that n additional conductors with an insulating coating and a length equal to (0.25 · λ _n -0.5 · λ _c ) are inserted, which are located inside the conductive cylindrical spiral and connected at one end with non-induction active resistance, while the diameter of the cross section of each additional conductor is equal to the diameter of the conductor forming a conductive cylindrical spiral, and the distance between them is equal to their diameter, where λ _n is the wavelength of the lower operating frequency, n 1, 2, 3,