RU2101810C1

RU2101810C1 - Vertical coaxial dipole

Info

Publication number: RU2101810C1
Application number: RU96103136A
Authority: RU
Inventors: А.С. Варюхин; В.Д. Жиряков; О.В. Попов; Д.Н. Селин; В.П. Чернолес
Original assignee: Военная академия связи
Priority date: 1996-02-19
Filing date: 1996-02-19
Publication date: 1998-01-10

Abstract

FIELD: antenna equipment, omnidirectional transmitting-receiving antenna in systems of mobile radio communication. SUBSTANCE: proposed vertical coaxial dipole includes two metal cylinders 1 mounted uniaxially with dielectric gap and metal rod 2 coaxially positioned in their internal cavity. Section of two-wire line 3 connected with lower end to coaxial feeder 4 and with one wire of upper end to metal rod and the other wire - to external surface of metal cylinder through hole in it is additionally mounted in upper metal cylinder. Maximum value of directivity in vertical plane with simultaneous achievement of high level of matching are obtained by selection of geometric dimensions of dipole. EFFECT: design of vertical omnidirectional dipole having high gain factor. 3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенной технике, в частности, заявляемый коаксиальный вертикальный вибратор может использоваться в системах связи с подвижными неориентированными в азимутальной плоскости корреспондентами. The invention relates to the field of radio engineering, namely to antenna technology, in particular, the inventive coaxial vertical vibrator can be used in communication systems with mobile correspondents not oriented in the azimuthal plane.

Известны ненаправленные приемо-передающие антенны (например, Гвоздев И. Н. и др. Характеристики антенн радиосистем связи. Л. ВАС, с. 185-191). Известные антенны представляют собой различные конструкции несимметричных вибраторов с противовесами, устанавливаемые на мачтах. Они имеют ненаправленные характеристики излучения (приема) в азимутальной плоскости, что обеспечивает возможность их использования в системах подвижной связи с неориентированными в пространстве корреспондентами. Omnidirectional transmitting and transmitting antennas are known (for example, Gvozdev I.N. et al. Characteristics of antennas of radio communication systems. L. YOU, pp. 185-191). Known antennas are various designs of asymmetric counterbalanced vibrators mounted on the masts. They have non-directional characteristics of radiation (reception) in the azimuthal plane, which makes it possible to use them in mobile communication systems with non-spatial oriented correspondents.

Однако известные аналоги имеют низкий коэффициент усиления (КУ), определяемый, как известно, произведением коэффициента направленного действия (КНД) на КПД. However, the known analogues have a low gain (KU), determined, as is known, by the product of the coefficient of directional action (KND) and efficiency.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному устройству является вертикальный коаксиальный вибратор, описанный в книге: Вершков М.В. Миротворский О.Б. Судовые антенны. Л. Судостроение, 1990, с. 191, рис. 6.3б. The closest in technical essence to the claimed device is a vertical coaxial vibrator described in the book: M. Vershkov Mirotovsky O.B. Ship antennas. L. Shipbuilding, 1990, p. 191, fig. 6.3b.

Вертикальный коаксиальный вибратор прототип состоит из двух металлических цилиндров, установленных соосно с диэлектрическим зазором между их примыкающими друг к другу торцами. Коаксиально во внутренней полости металлических цилиндров размещен металлический стержень. Верхние торцы металлических цилиндров электрически соединены с металлическим стержнем. Коаксиальный фидер подключен экранной оболочкой к верхнему торцу нижнего металлического цилиндра, а центральным проводником к нижнему торцу верхнего металлического цилиндра. В такой антенне путем подбора соотношений размеров элементов ее конструкции обеспечивается расширение диапазона рабочих частот по согласованию. Отсутствие полностью изолированных элементов конструкции делает антенну грозозащищенной. The vertical coaxial prototype vibrator consists of two metal cylinders mounted coaxially with a dielectric gap between their adjacent ends. Coaxially in the inner cavity of the metal cylinders is a metal rod. The upper ends of the metal cylinders are electrically connected to a metal rod. The coaxial feeder is connected by a screen sheath to the upper end of the lower metal cylinder, and by the central conductor to the lower end of the upper metal cylinder. In such an antenna, by selecting the ratio of the sizes of the elements of its design, an extension of the operating frequency range is provided by agreement. The absence of completely isolated structural elements makes the antenna lightning-proof.

Однако антенна прототип имеет недостаток: низкий КУ. Это объясняется тем, что высокоподнятый полуволновый симметричный вибратор, каким по сути является прототип, имеет КНД не более 1,64 (в условиях свободного пространства). Низкое значение КНД обусловлено с одной стороны требованием к такому классу антенн ненаправленного излучения в азимутальной плоскости, с другой необходимостью согласования с коаксиальным кабелем, имеющим относительно низкое значение волнового сопротивления ρ_ф 50 Ом или 75 Ом. Последнее возможно при длине металлических цилиндров порядка четверти рабочей длины волны λ
Известно, что КНД можно увеличить за счет увеличения длины металлических цилиндров. Максимальная величина КНД для такого класса вибраторов реализуется при высоте плеч вибратор порядка 0,63 l (см. книгу: Вершков М.В. Миротворский О.Б. Судовые антенны. Л. Судостроение, 1990, с. 62).However, the prototype antenna has the disadvantage of low KU. This is due to the fact that the high-rise half-wave symmetric vibrator, which in essence is a prototype, has a gain of not more than 1.64 (in free space). The low directivity gain is due, on the one hand, to the requirement for this class of omnidirectional radiation antennas in the azimuthal plane, and, on the other hand, to coordination with a coaxial cable having a relatively low value of wave impedance ρ _f 50 Ohms or 75 Ohms. The latter is possible with metal cylinders of the order of a quarter of the working wavelength λ
It is known that KND can be increased by increasing the length of the metal cylinders. The maximum KND value for this class of vibrators is realized at a shoulder height of the vibrator of the order of 0.63 l (see book: Vershkov MV, Mirotovsky OB Ship antennas. L. Shipbuilding, 1990, p. 62).

Однако при этом нарушается согласование и, как следствие, резко снижается КПД антенны, а, следовательно, и ее КУ. However, in this case, the coordination is violated and, as a result, the antenna efficiency decreases sharply, and, consequently, its KU.

Целью изобретения является разработка вертикального коаксиального вибратора с ненаправленным излучением в азимутальной плоскости, обладающего более высоким КУ, при одновременном сохранении качества согласования. The aim of the invention is the development of a vertical coaxial vibrator with omnidirectional radiation in the azimuthal plane with a higher KU, while maintaining the quality of matching.

Поставленная цель достигается тем, что в известном вертикальном коаксиальном вибраторе, содержащем два металлических цилиндра, установленных соосно с диэлектрическим зазором между их примыкающими друг к другу торцами и электрически связанных верхними торцам с коаксиально размещенным в их внутренних полостях металлическим стержнем, и коаксиальный фидер, экранная оболочка которого электрически связана с металлическим стержнем, дополнительно во внутренней полости каждого металлического цилиндра установлены короткозамыкающие (к. з.) перемычки. Кроме того, в полости верхнего металлического цилиндра размещен вертикальный отрезок двухпроводной линии, проводники которой подключены у нижнего конца соответственно к экранной оболочке и центральному проводнику коаксиального фидера, а у верхнего конца - к металлическому стержню, и через отверстие в металлическом цилиндре к его внешней поверхности. This goal is achieved by the fact that in the known vertical coaxial vibrator containing two metal cylinders mounted coaxially with a dielectric gap between their adjacent ends and electrically connected upper ends with a metal rod coaxially placed in their internal cavities, and a coaxial feeder, screen sheath which is electrically connected to a metal rod, additionally, short-circuit (short circuit) p are installed in the inner cavity of each metal cylinder small bowls. In addition, a vertical segment of a two-wire line is placed in the cavity of the upper metal cylinder, the conductors of which are connected at the lower end to the screen sheath and the central conductor of the coaxial feeder, and at the upper end to the metal rod, and through the hole in the metal cylinder to its outer surface.

Высота каждого металлического цилиндра выбрана равной (0,62-0,63) l где l рабочая длина волны. К.з. перемычки в нижнем и верхнем металлических цилиндрах установлены на расстоянии (0,24-0,26) l от их нижних торцов. Длина вертикального отрезка двухпроводной линии выбрана в пределах (0,16-0,18) l Нижний конец отрезка двухпроводной линии размещен в диэлектрическом зазоре между примыкающими торцами металлических цилиндров. The height of each metal cylinder is chosen equal to (0.62-0.63) l where l is the working wavelength. K.z. jumpers in the lower and upper metal cylinders are installed at a distance of (0.24-0.26) l from their lower ends. The length of the vertical segment of the two-wire line is selected in the range of (0.16-0.18) l The lower end of the segment of the two-wire line is placed in the dielectric gap between the adjacent ends of the metal cylinders.

К. з. перемычки могут быть выполнены с возможностью их перемещения вдоль оси цилиндра. K. z. jumpers can be made with the possibility of their movement along the axis of the cylinder.

В частном случае, вертикальный отрезок двухпроводной линии может быть выполнен в виде отрезка коаксиального кабеля. In the particular case, the vertical length of the two-wire line can be made in the form of a length of coaxial cable.

Благодаря перечисленной совокупности существенных признаков достигается максимизация КНД выбором соответствующей длины металлических цилиндров и одновременно максимизация КПД за счет согласования низкооного волнового сопротивления фидера через трансформирующий отрезок двухпроводной линии. Thanks to the listed set of essential features, the KND is maximized by selecting the appropriate length of the metal cylinders and at the same time maximizing the efficiency by matching the low-wave impedance of the feeder through the transforming segment of the two-wire line.

Этим обеспечивается при ненаправленном излучении в азимутальной плоскости и сохранении высокого уровня согласования максимально достижимый для данного класса антенн КУ. This ensures that with non-directional radiation in the azimuthal plane and maintaining a high level of coordination, the maximum achievable for this class of KU antennas.

На фиг. 1 представлена общая схема антенны; на фиг. 2 эквивалентная схема антенны; на фиг. 3, 4 результаты экспериментальных измерений. In FIG. 1 shows a general diagram of an antenna; in FIG. 2 equivalent antenna circuit; in FIG. 3, 4 results of experimental measurements.

Вертикальный коаксиальный вибратор, показанный на фиг. 1, состоит из двух металлических цилиндров 1, длиной l₁ каждый. Металлические цилиндры 1 установлены соосно с диэлектрическим зазором D между их примыкающими торцами. Во внутренней полости металлических цилиндров 1 коаксиально установлен металлический стержень 2. В частном случае металлический стержень может быть выполнен в виде трубки с наружным диаметром в поперечном сечении d. Металлические цилиндры также могут быть реализованы в форме круглых цилиндров, с внешним диаметром поперечного сечения D₁ и внутренним D₂.The vertical coaxial vibrator shown in FIG. 1, consists of two metal cylinders 1, each l ₁ long. The metal cylinders 1 are mounted coaxially with a dielectric gap D between their adjacent ends. In the inner cavity of the metal cylinders 1, a metal rod 2 is coaxially mounted. In a particular case, the metal rod can be made in the form of a tube with an outer diameter in cross section d. Metal cylinders can also be implemented in the form of round cylinders, with an external cross-sectional diameter D ₁ and an internal D ₂ .

Верхние торцы каждого из металлических цилиндров 1 электрически связаны (точки "a") с металлическим стержнем 2. В полости верхнего металлического цилиндра размещен вертикальный отрезок двухпроводной линии 3 длиной l₂. Отрезок двухпроводной линии 3 может быть реализован в виде микрополосковой линии, в форме коаксиальной линии и т.п. На фиг. 1 он показан в виде отрезка коаксиальной линии, размещенной во внутренней полости металлического стержня 2. Нижний конец отрезка двухпроводной линии 3 размещен в диэлектрическом зазоре у нижней кромки верхнего металлического цилиндра 1.The upper ends of each of the metal cylinders 1 are electrically connected (points "a") with the metal rod 2. In the cavity of the upper metal cylinder there is a vertical segment of a two-wire line 3 of length l ₂ . A segment of a two-wire line 3 can be implemented as a microstrip line, in the form of a coaxial line, etc. In FIG. 1, it is shown in the form of a segment of a coaxial line located in the inner cavity of the metal rod 2. The lower end of the segment of the two-wire line 3 is placed in the dielectric gap at the lower edge of the upper metal cylinder 1.

Коаксиальный фидер 4 подключен экранной оболочкой к металлическому стержню 2 и к первому проводнику двухпроводной линии (точка "б"). Центральный проводник коаксиального фидера 4 подключен (в точке "б'") к второму проводнику отрезка двухпроводной линии 3. У верхнего конца отрезка двухпроводной линии 3 его первый проводник подключен к металлическому стержню 2 (в точке "д"), а второй с помощью отрезка провода 5 через отверстие в металлическом цилиндре 1 к его внешней поверхности (точка "д'"). Во внутренней полости каждого металлического цилиндра на расстоянии l₃ от их нижних торцов установлены к.з. перемычки 6, электрически связывающие в месте их установки металлический стержень 2 и внутреннюю поверхность соответствующего металлического цилиндра 1. Для обеспечения подстройки антенны к.з. перемычки 6 могут быть установлены с возможностью их перемещения вдоль вертикальной оси вибратора.Coaxial feeder 4 is connected by a screen sheath to the metal rod 2 and to the first conductor of the two-wire line (point "b"). The central conductor of the coaxial feeder 4 is connected (at point “b”) to the second conductor of the segment of the two-wire line 3. At the upper end of the segment of the two-wire line 3, its first conductor is connected to the metal rod 2 (at the point “e”), and the second via the segment wires 5 through the hole in the metal cylinder 1 to its outer surface (point "d '"). In the inner cavity of each metal cylinder at a distance of l ₃ from their lower ends installed short circuit jumpers 6, electrically connecting in the place of their installation a metal rod 2 and the inner surface of the corresponding metal cylinder 1. To ensure adjustment of the antenna short-circuit jumpers 6 can be installed with the possibility of their movement along the vertical axis of the vibrator.

Заявленная антенна работает следующим образом. Из конструкции антенны следует, что к ее точках д-д' подключены одновременно: к.з. шлейф с волновым сопротивлением r_ш длиной l₄ и трансформирующая линия длиной l₂ с волновым сопротивлением ρ_т К.з. шлейф и трансформирующая линия образованы внутренней поверхностью металлического цилиндра 1 и внешней поверхностью металлического стержня 2. В свою очередь трансформирующая линия в точках с-с нагружена на входное сопротивление Z_в симметричного вибратора, плечами которого являются металлические цилиндры 1. Общее сопротивление, подключенное к точкам д-д', через отрезок двухпроводной линии с волновым сопротивлением ρ_л длиной l₂ подключено к фидеру 4 с волновым сопротивлением ρ_в в точках б-б'. Следовательно, при ρ_л≠ ρ_ф отрезок линии 3 также выполняет роль дополнительного трансформатора. К.з. линия длиной l₃ в нижнем металлическом цилиндре выполняет роль запирающего цилиндра, предотвращающего затекание ВЧ токов на металлическую мачту. С учетом изложенного эквивалентная схема заявляемой антенны показана на фиг. 2, из которой следует, что сопротивление в точках подключения фидера (точки б-б')

может быть вычислено по формуле:

где

общее сопротивление в точках д-д', обусловлено параллельно включенными сопротивлениями к. з. линии Z_кз и сопротивлением Z_дд на выходе трансформирующей линии, нагруженной на сопротивление Z_в, т.е.The claimed antenna operates as follows. From the design of the antenna it follows that at its points d-d 'are connected simultaneously: short circuit a loop with wave impedance r _{w of} length l ₄ and a transforming line of length l ₂ with wave impedance ρ _t K.z. the loop and the transforming line are formed by the inner surface of the metal cylinder 1 and the outer surface of the metal rod 2. In turn, the transforming line at points cc is loaded on the input resistance Z _{in a} symmetric vibrator, the shoulders of which are metal cylinders 1. The total resistance connected to points d -q ', through two-wire line segment with characteristic impedance ρ _l the length l ₂ is connected to the feeder 4 to the characteristic impedance ρ _in the points b-b'. Therefore, when ρ _l ≠ ρ _{f the} line segment 3 also acts as an additional transformer. K.z. a line of length l ₃ in the lower metal cylinder acts as a locking cylinder, preventing the flow of high-frequency currents on the metal mast. In view of the foregoing, an equivalent circuit of the claimed antenna is shown in FIG. 2, from which it follows that the resistance at the connection points of the feeder (points bb ')

can be calculated by the formula:

Where

the total resistance at the points d-d 'is due to the parallel-connected resistances of the short circuit line Z _KZ and resistance Z _dd at the output of the transforming line loaded on the resistance Z _in , i.e.

В формулах (1), (3) γ = α+iβ постоянная распространения электромагнитных колебаний вдоль соответствующей линии; a постоянная затухания; b = 2π/λ - фазовая постоянная.

In formulas (1), (3) γ = α + iβ is the propagation constant of electromagnetic waves along the corresponding line; a constant attenuation; b = 2π / λ is the phase constant.

Сопротивление Z_в определяется по известным формулам для симметричного вибратора, см. например, Вершков М.В. Миротворский О.Б. Судовые антенны. Л. Судостроение, 1990, с. 58, формула 2.96.The resistance Z _{in is} determined by the well-known formulas for a symmetric vibrator, see, for example, Vershkov MV Mirotovsky O.B. Ship antennas. L. Shipbuilding, 1990, p. 58, formula 2.96.

Из приведенных соотношений очевидно, что в заявленной антенне оказывается возможным изменение в широких пределах ее входного сопротивления

путем выбора соответствующего соотношения элементов ее конструкции: D₂, d, l₄, l₂, l₃. Причем при определенных значениях D₂ и d выбором длины отрезка двухпроводной линии l₂ и ее волнового сопротивления ρ_л а также выбором положения к. з. перемычки. т.е. величины l₄, достигается полное согласование антенны с фидером. Этим обеспечивается максимизация КПД. С другой стороны, выбором длин металлических цилиндров в пределах l₁ (0,62-0,63) λ достигается максимизация КНД вибратора. Следовательно, наивысшее значение (в условиях ненаправленного излучения в азимутальной плоскости) приобретает и величина КУ вибратора.From the above relations it is obvious that in the claimed antenna it is possible to change over a wide range of its input impedance

by choosing the appropriate ratio of the elements of its design: D ₂ , d, l ₄ , l ₂ , l ₃ . Moreover, at certain values of D ₂ and d, by choosing the length of the two-wire line segment l ₂ and its wave impedance ρ _l as well as choosing the short-circuit position. jumpers. those. values l ₄ , full agreement of the antenna with the feeder is achieved. This ensures maximization of efficiency. On the other hand, by choosing the lengths of the metal cylinders within l ₁ (0.62-0.63) λ, the maximization of the directivity of the vibrator is achieved. Therefore, the highest value (in the conditions of non-directional radiation in the azimuthal plane) is acquired by the value of the KU of the vibrator.

Правомерность теоретических рассуждений и обоснование наилучших соотношений элементов конструкции заявляемой антенны выполнены в ходе экспериментальных исследований опытного образца, предназначенного для работы на частоте f 27 МГц, что соответствует рабочей длине волны l 11,1 м. The validity of theoretical considerations and the justification of the best ratios of the structural elements of the claimed antenna were performed during experimental studies of a prototype designed to operate at a frequency of f 27 MHz, which corresponds to a working wavelength of l 11.1 m

Опытный образец имел следующие размеры: d 5 мм; D₂ 12 мм, D₁ 14 мм; l₁ 6,88 м; l₃ 2,77 м; l₂ 1,89; l₄ 0,88 м, волновое сопротивление фидера r_ф 50 Ом.The prototype had the following dimensions: d 5 mm; D ₂ 12 mm; D ₁ 14 mm; l ₁ 6.88 m; l ₃ 2.77 m; l ₂ 1.89; l ₄ 0.88 m, the wave resistance of the feeder r _f 50 Ohms.

Результаты измерений КБВ и диаграммы направленности (ДН) показаны на фиг. 3, 4 (сплошная линия заявленное устройство, пунктир прототип). Measurements of the IPM and radiation pattern (ND) are shown in FIG. 3, 4 (solid line of the claimed device, dotted prototype).

Полученные результаты показывают, что при практически равных условиях согласования (т.е. и равных КПД) в заявленном устройстве реализуется предельно узкая в плотности "E" ДН для данного класса излучателей с КНД ≈ 3,3. Следовательно, обеспечивается и максимально возможное значение КУ. Полагая КПД ≈ 0,9, имеем в заявленном устройстве КУ ≈ 0,9•3,3 ≈ 3. Для прототипа КУ ≈ 0,9•1,64 ≈ 1,5. The results obtained show that under almost equal matching conditions (that is, equal efficiency), the claimed device implements an extremely narrow in density "E" DN for this class of emitters with KND ≈ 3.3. Therefore, the maximum possible value of KU is provided. Assuming an efficiency of ≈ 0.9, we have in the claimed device KU ≈ 0.9 • 3.3 ≈ 3. For the prototype KU ≈ 0.9 • 1.64 ≈ 1.5.

Одновременно были определены соотношения элементов конструкции заявленной антенны, при которых возможна реализация поставленной цели, а именно: l₁ (0,62-0,63) λ l₂ (0,16-0,18) l l₃ (0,24-0,26) l Средние значения указанных интервалов являются оптимальными.At the same time, the ratios of structural elements of the claimed antenna were determined for which the goal can be achieved, namely: l ₁ (0.62-0.63) λ l ₂ (0.16-0.18) ll ₃ (0.24-0 , 26) l The average values of the indicated intervals are optimal.

Другие габаритные размеры вибраторы: D₁, D₂, d определяют преимущественно из эксплуатационных соображений (масса, механическая прочность и т.п.) и одновременно исходя из возможности достижения требуемых значений r_ш, ρ_тпри которых обеспечивается необходимое качество согласования (формулы 4). Для используемых стандартных фидеров с волновым сопротивлением 50 Ом или 75 Ом целесообразно выбирать: D₂/d (2-3); D₁/D₂ (1,1-1,2); D₁/l₁ (0,02-0,03). Величина зазора Δ выбирается в пределах (0,3-0,4)D₁, чем исключается шунтирующее действие торцевой емкости.Other overall dimensions of the vibrators: D ₁ , D ₂ , d are determined mainly from operational considerations (mass, mechanical strength, etc.) and at the same time based on the possibility of achieving the required values of r _w , ρ _t at which the required quality of matching is provided (formula 4 ) For used standard feeders with wave impedance of 50 Ohms or 75 Ohms, it is advisable to choose: D ₂ / d (2-3); D ₁ / D ₂ (1.1-1.2); D ₁ / l ₁ (0.02-0.03). The gap Δ is selected in the range of (0.3-0.4) D ₁ , which excludes the shunt action of the end tank.

Использование заявленного устройства позволит повысить надежность и энергетику канала радиосвязи с неориентированным по азимуту корреспондентом, например, в системах подвижной связи. Using the claimed device will improve the reliability and energy of the radio channel with a non-azimuth-oriented correspondent, for example, in mobile communication systems.

Claims

1. A vertical coaxial vibrator comprising two metal cylinders mounted coaxially with a dielectric gap between their adjacent ends and electrically connected upper ends with a metal rod coaxially placed in their internal cavities, and a coaxial feeder, the shield shell of which is electrically connected to the metal rod characterized in that, in addition, short-circuit jumpers are installed in the inner cavity of each metal cylinder, in addition, in the cavity The upper metal cylinder contains a vertical segment of a two-wire line, the conductors of which are connected at the lower end, respectively, to the screen sheath and the central conductor of the coaxial feeder, and at the upper end to the metal rod and through the hole in the metal cylinder to its outer surface.

2. The vibrator according to claim 1, characterized in that the height of each metal cylinder is selected in the range (0.62-0.63) λ, where λ is the working wavelength, short-circuit jumpers in the lower and upper metal cylinders are installed at a distance (0 , 24-0.26) λ from their lower ends, and the length of the vertical segment of the two-wire line is selected in the range (0.16-0.18) λ, and its lower end is placed in the dielectric gap between the adjacent ends of the metal cylinders.

3. The vibrator according to paragraphs. 1 and / or 2, characterized in that the short-circuit jumpers are installed with the possibility of their movement.

4. The vibrator according to paragraphs. 1 and / or 2, 3, characterized in that the vertical segment of the two-wire line is made in the form of a segment of a coaxial feeder.