RU2070760C1

RU2070760C1 - Double-frequency antenna

Info

Publication number: RU2070760C1
Authority: RU
Inventors: Е.С. Попов; К.А. Минабудинов; В.Н. Мешкорудников; В.П. Лупинос
Original assignee: Омский научно-исследовательский институт приборостроения
Priority date: 1992-09-10
Filing date: 1992-09-10
Publication date: 1996-12-20

Abstract

FIELD: antenna engineering; transceiving antennas of ultrasonic radio sets of mobile communication system operating in duplex mode. SUBSTANCE: vertical dipole of 5/8λ_l length whose lower end is feed point of antenna is partially placed in hollow coaxial shunt whose length is 5/8λ_l and connected to this shunt at feed point. Lower ends of coaxial shunt and vertical dipole are flexible and coiled up. Formula for determining axial length of coil is given in description of invention. EFFECT: improved design. 2 dwg

Description

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве приемопередающей антенны УКВ-радиостанций подвижных систем связи для работы в дуплексном режиме. The invention relates to antenna technology and can be used as a transceiver antenna of VHF radio stations of mobile communication systems for working in full duplex mode.

Известной и наиболее близкой по технической сущности к заявленному устройству является выбранная в качестве прототипа антенна УКВ-диапазона, содержащая вертикальный вибратор, частично входящий внутрь коаксиального шунта, к нижнему концу вертикального вибратора подключен источник питания и гальванически подсоединен коаксиальный шунт [1]
Недостатком известной антенны являются ее ограниченные функциональные возможности, обусловленные тем, что антенна может работать только на одной фиксированной частоте либо в узком диапазоне частот вблизи рабочей частоты, однозначно определяемой геометрическими размерами антенны. Это не позволяет использовать антенну в дуплексном режиме работы УКВ-радиосредств, когда передача и прием ведутся на разных рабочих частотах.Known and closest in technical essence to the claimed device is a VHF band antenna selected as a prototype, comprising a vertical vibrator partially inside the coaxial shunt, a power source is connected to the lower end of the vertical vibrator, and a coaxial shunt is galvanically connected [1]
A disadvantage of the known antenna is its limited functionality, due to the fact that the antenna can only work on one fixed frequency or in a narrow frequency range near the operating frequency, uniquely determined by the geometric dimensions of the antenna. This does not allow the antenna to be used in full-duplex operation of VHF radio facilities, when transmission and reception are carried out at different operating frequencies.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей антенны, позволяющее использовать ее в дуплексном режиме работы радиосредств. The objective of the invention is to expand the functionality of the antenna, allowing you to use it in the duplex mode of operation of the radio.

Поставленная задача решается тем, что в известной антенне, содержащей вертикальный вибратор, частично входящий внутрь коаксиального шунта, к нижнему концу вибратора подключен источник питания и гальванически подсоединен коаксиальный шунт, длина вертикального вибратора равна 5/8 длины волны, соответствующей нижней рабочей частоте, длина коаксиального шунта равна 5/8 длины волны, соответствующей верхней рабочей частоте, а нижний конец коаксиального шунта с размещенной внутри частью вертикального вибратора выполнены гибкими и свернуты в катушку с осевой длиной равной 0,1-0,2 длины волны, соответствующей средней частоте диапазона. The problem is solved in that in a known antenna containing a vertical vibrator partially entering the inside of the coaxial shunt, a power source is connected to the lower end of the vibrator and the coaxial shunt is galvanically connected, the length of the vertical vibrator is 5/8 of the wavelength corresponding to the lower operating frequency, the length of the coaxial the shunt is 5/8 of the wavelength corresponding to the upper working frequency, and the lower end of the coaxial shunt with the vertical vibrator placed inside is made flexible and folded into Coils with axial length equal to 0.1-0.2 the wavelength corresponding to the middle frequency range.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленное устройство отличается от прототипа длинами вертикального вибратора и коаксиального шунта, а также тем, что нижний конец коаксиального шунта с размещенной внутри частью вертикального вибратора выполнены гибкими и свернуты в катушку с осевой длиной равной 0,1-0,2 длины волны, соответствующей средней частоте диапазона. Comparative analysis with the prototype shows that the claimed device differs from the prototype in the lengths of the vertical vibrator and coaxial shunt, as well as in that the lower end of the coaxial shunt with the vertical vibrator placed inside is made flexible and rolled into a coil with an axial length of 0.1-0, 2 wavelengths corresponding to the average frequency of the range.

Таким образом, заявленное устройство соответствует критерию изобретения "новизна". Thus, the claimed device meets the criteria of the invention of "novelty."

На фиг. 1 приведена электрическая схема двухчастотной антенны. На фиг.2 приведены экспериментально полученные частотные зависимости коэффициента стоячей волны напряжения (КСВН) макета двухчастотной антенны, реализованной в соответствии с заявленным техническим решением. In FIG. 1 shows an electrical diagram of a dual-frequency antenna. Figure 2 shows the experimentally obtained frequency dependence of the coefficient of the standing voltage wave (VSWR) of the layout of the dual-frequency antenna, implemented in accordance with the claimed technical solution.

Двухчастотная антенна (фиг. 1) содержит вертикальный вибратор 1, длина которого равна 5/8 длины волны, соответствующей нижней рабочей частоте, коаксиальный шунт 2, расположенный коаксиально снаружи вибратора 1, длина которого равна 5/8 длины волны, соответствующей верхней рабочей частоте. Нижний конец коаксиального шунта с размещенной внутри частью вертикального вибратора выполнены гибкими и свернуты в катушку 3 с осевой длиной равной 0,1 0,2 длины волны, соответствующей средней частоте диапазона. The dual-frequency antenna (Fig. 1) contains a vertical vibrator 1, the length of which is 5/8 of the wavelength corresponding to the lower working frequency, a coaxial shunt 2, located coaxially outside the vibrator 1, whose length is 5/8 of the wavelength corresponding to the upper working frequency. The lower end of the coaxial shunt with the inside part of the vertical vibrator is made flexible and rolled into a coil 3 with an axial length equal to 0.1 0.2 wavelength corresponding to the average frequency of the range.

Двухчастотная антенна работает следующим образом. Dual-frequency antenna operates as follows.

Будем рассматривать работу антенны в режиме передачи, а к режиму приема применим известный принцип взаимности. Двухчастотную антенну предложенной конструкции можно представить как вибратор длиной 5/8 λ_н, где λ_н длина волны, соответствующая нижней рабочей частоте fн, с нагрузкой в виде коаксиального короткозамкнутого в точке питания шунта длиной 5/8 λ_в, где λ_в длина волны, соответствующая верхней рабочей частоте fв. При подключении двухчастотной антенны к УКВ передатчику, работающему на несущей частоте, равной fн, антенну можно представить как вибратор длиной 5/8 λ_н с последовательно включенными емкостным и индуктивным сопротивлениями. Емкостное сопротивление обусловлено электрической длиной вибратора, т.е. соотношением lв/lн, где lв геометрическая длина вибратора (с учетом спирального элемента), а индуктивное электрической длиной короткозамкнутого шунта на частоте fн. В результате на частоте fн происходит компенсация емкостного сопротивления вибратора индуктивным сопротивлением шунта, и входное сопротивление двухчастотной антенны на этой частоте оказывается близко к 50 Ом (КСВН близок к единице), т. к. несимметричный вибратор длиной 5/8 λ_н на частоте fн имеет активное сопротивление порядка 50 Ом. При приближении выходного сопротивления передатчика к входному сопротивлению антенны в последнюю передается максимальная мощность сигнала передатчика частоты fн и далее происходит эффективное излучение сигнала в пространство.We will consider the operation of the antenna in transmission mode, and the well-known reciprocity principle applies to the reception mode. The dual-frequency antenna of the proposed design can be represented as a vibrator with a length of 5/8 λ _n , where λ _n is the wavelength corresponding to the lower operating frequency fn, with a load in the form of a coaxial short-circuited shunt at the power point 5/8 λ _in , where λ _is the wavelength, corresponding to the upper working frequency fv. When connecting a two-frequency antenna to a VHF transmitter operating at a carrier frequency equal to fn, the antenna can be represented as a vibrator 5/8 λ _n long with capacitive and inductive resistances connected in series. Capacitance is determined by the electric length of the vibrator, i.e. ratio lv / ln, where lv is the geometrical length of the vibrator (taking into account the spiral element), and the inductive electric length of the short-circuited shunt at the frequency fн. As a result, at the frequency fн, the capacitance of the vibrator is compensated by the inductive resistance of the shunt, and the input impedance of the two-frequency antenna at this frequency is close to 50 Ohms (VSWR is close to unity), because an asymmetric vibrator of 5/8 λ _n length at the frequency fн has active resistance of the order of 50 ohms. When the output impedance of the transmitter approaches the input impedance of the antenna, the maximum signal power of the frequency transmitter fн is transmitted to the latter, and then the signal is effectively emitted into space.

Аналогичным образом осуществляется работа двухчастотной антенны на верхней частоте fв. При этом входное сопротивление антенны на этой частоте складывается из активного сопротивления 50 Ом, емкостного и индуктивного сопротивлений шунта, обусловленных его электрической длиной, а также емкостным сопротивлением участка вибратора, выступающего из раскрыва шунта. Благодаря высокому емкостному сопротивлению выступающего участка вибратора на частоте fв по сравнению с индуктивным сопротивлением в раскрыве шунта ток передатчика в основном будет протекать по наружной поверхности шунта и лишь незначительная его часть будет перетекать на выступающий участок вибратора. За счет компенсации реактивных составляющих входного сопротивления антенны она по-прежнему будет достаточно хорошо согласована с передатчиком и обладать высокой излучающей способностью на частоте fв. На фиг.2 представлены частотные зависимости КСВН макета двухчастотной антенны, рассчитанной для одновременной работы на частотах 148 и 172 мГц. Экспериментальные исследования показали, что двухчастотная антенна эффективно и с высоким уровнем согласования работает, если рабочие частоты отличаются не более чем в 1,8 раза. In a similar way, the dual-frequency antenna operates at the upper frequency fv. In this case, the input impedance of the antenna at this frequency consists of the active resistance of 50 Ohms, the capacitive and inductive resistances of the shunt, due to its electric length, as well as the capacitive resistance of the section of the vibrator protruding from the opening of the shunt. Due to the high capacitance of the protruding portion of the vibrator at a frequency fv compared with the inductive resistance in the opening of the shunt, the transmitter current will mainly flow along the outer surface of the shunt and only a small part of it will flow to the protruding portion of the vibrator. Due to compensation of the reactive components of the input impedance of the antenna, it will still be quite well matched with the transmitter and have a high emissivity at a frequency fv. Figure 2 presents the frequency dependence of the VSWR model of a dual-frequency antenna, designed for simultaneous operation at frequencies of 148 and 172 MHz. Experimental studies have shown that a dual-frequency antenna works efficiently and with a high level of coordination if the operating frequencies differ by no more than 1.8 times.

Если геометрическая высота двухчастотной антенны от точки питания составляет 5/8 λ_н (отсутствует спиральный элемент), то в диаграмме направленности в вертикальной плоскости появляются боковые лепестки, вызывающие потери мощности излучения. Для устранения этого нежелательного явления предлагается нижний конец коаксиального шунта с размещенной внутри частью вертикального вибратора выполнить гибкими и свернуть в катушку с осевой длиной равной 0,1 0,2 длины волны, соответствующей средней частоте диапазона. Экспериментально установлено, что наилучшие результаты получаются при осевой длине катушки равной 0,16. При этом коэффициент направленного действия двухчастотной антенны на обеих частотах примерно равен 2,4.If the geometric height of the dual-frequency antenna from the supply point is 5/8 λ _n (there is no spiral element), then side lobes appear in the radiation pattern in the vertical plane, causing loss of radiation power. To eliminate this undesirable phenomenon, it is proposed that the lower end of the coaxial shunt with the vertical vibrator part inside be flexible and rolled into a coil with an axial length equal to 0.1 0.2 wavelength corresponding to the average frequency of the range. It was experimentally established that the best results are obtained when the axial length of the coil is 0.16. In this case, the directional coefficient of the dual-frequency antenna at both frequencies is approximately equal to 2.4.

Двухчастотная антенна может быть реализована следующим образом. A dual-frequency antenna can be implemented as follows.

Вибратор 1 может быть выполнен из стальной пружинной проволоки диаметром 2-3 мм. Коаксиальный шунт 2 может быть выполнен из медной, латунной либо стальной трубки, к которой в узле питания гальванически присоединен вибратор. Катушку 3 можно выполнить в виде отрезка коаксиального шунта, а внутренний проводник к нижней части вибратора. The vibrator 1 can be made of steel spring wire with a diameter of 2-3 mm Coaxial shunt 2 can be made of a copper, brass or steel tube, to which a vibrator is galvanically connected to the power node. The coil 3 can be made in the form of a segment of a coaxial shunt, and the inner conductor to the bottom of the vibrator.

Использование заявленной двухчастотной антенны, например, в составе подвижных систем УКВ радиосвязи в дуплексном режиме позволит в два раза сократить парк соответствующих антенн, работающих только на одной фиксированной частоте и расширить функциональные возможности систем УКВ-радиосвязи. The use of the claimed dual-frequency antenna, for example, as part of mobile VHF radio systems in duplex mode, will halve the fleet of corresponding antennas operating at only one fixed frequency and expand the functionality of VHF radio systems.

Claims

A two-frequency antenna containing a vertical vibrator partially entering inside the coaxial shunt, a power source is connected to the lower end of the vertical vibrator and a coaxial shunt is galvanically connected, characterized in that the length of the vertical vibrator is 5 / 8λ _n and the coaxial shunt is 5 / 8λ _in , and the lower ends the coaxial shunt and the part of the vertical vibrator included in it are made flexible and rolled up into a coil with an axial length equal to (0.1 0.05) from (λ _n + λ _c ), where λ _n , λ _are the wavelengths corresponding to the lower and upper working frequency m