RU2199805C2 - Широкополосная симметричная вибраторная антенна - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к антенно-фидерным устройствам. Техническим результатом является расширение рабочего диапазона частот. Сущность изобретения заключается в том, что широкополосная симметричная вибраторная антенна (ШСВА) содержит первое и второе плечи первого вибратора (ПППВ и ВППВ), образующие в результате разноса по оси зазор, первое и второе плечи второго вибратора (ППВВ и ВПВВ), первый и второй проводник (ПП и ВП), коаксиальный фидер, симметрирующее устройство, устройство компенсации (УК), имеющее первый и второй входы, ПП соединяет ПППВ с ППВВ, ВП соединяет ВППВ с ВПВВ, внешний проводник фидера соединен с ВППВ в упомянутом зазоре, центральный проводник фидера соединен с первым входом УК, второй вход УК соединен с ПППВ в упомянутом зазоре. Подробно описан экспериментальный образец ШСВА, имеющий в 16% полосе частот КСВ<1,15. Антенна имеет высокую защиту от антенного эффекта фидера. Может применяться как элемент антенной решетки (АР), в частности, для обеспечения совместной работы с одной АР нескольких станций (С) УКВ-ЧМ, телевизионного вещания, С профессиональной связи и других систем метровых, дециметровых волн, в том числе, в АР, устанавливаемых на поясах башен с обеспечением круговой диаграммы направленности в горизонтальной плоскости. 7 з. п.ф-лы, 13 ил.

Description

Изобретение относится к антенно-фидерным устройствам, а именно к симметричным вибраторным антеннам, питаемым коаксиальным кабелем. Эта новая симметричная вибраторная антенна обеспечивает широкую полосу согласования антенны с фидером. При этом имеет высокую защиту от антенного эффекта фидера, круговую диаграмму направленности в плоскости Н, удобна для размещения на мачтах или поясах башен. Реализация данного изобретения в диапазоне УКВ радиовещания позволяет использовать предложенную антенну в качестве многоканальной антенны или в качестве элемента передающей многоканальной антенной решетки.

Симметричные электрические вибраторы применяются в качестве самостоятельных антенн, элементов более сложных вибраторных антенн, элементов антенных решеток, облучателей зеркальных и линзовых антенн. Во всех случаях применения симметричных электрических вибраторов к ним предъявляется требование по рабочему диапазону частот. Диапазон рабочих частот антенны определяется допустимой величиной изменения частоты (длины волны), при которой основные параметры антенны, зависящие от частоты, не выходят за заданные пределы. Обычно производят определение диапазона рабочих частот по изменению одного из следующих параметров антенны: изменению формы диаграммы направленности или изменению ее положения в пространстве, уменьшению коэффициента усиления, увеличению боковых лепестков, изменению поляризационной характеристики, изменению входного сопротивления антенны.

Известна первая симметричная вибраторная антенна (Г.З. Айзенберг, В.Г. Ямпольский, О. Н. Терешин. Антенны УКВ. Часть I. M.: Связь, 1977, стр.168), содержащая первое и второе разнесенные по оси плечи вибратора, образующие в результате разноса между собой зазор, и симметричный фидер, один из проводников которого соединен с первым плечом вибратора в упомянутом зазоре, а второй проводник соединен со вторым плечом вибратора в упомянутом зазоре. При этом обеспечивается симметричное относительно середины проводника распределение тока.

Однако известная первая симметричная вибраторная антенна имеет узкий диапазон рабочих частот, ограничиваемый полосой согласования антенны с фидером; ее характеристики существенным образом зависят от внешних эксплуатационных факторов, так как открытые линии питания подвержены воздействию атмосферных осадков. При дожде, снеге и особенно гололеде затухание в открытой двухпроводной (или многопроводной) линии значительно увеличивается. Двухпроводная (или многопроводная) открытая линия имеет заметное излучение (антенный эффект), увеличивающийся с укорочением длины волны.

Известна вторая вибраторная антенна (Г.З. Айзенберг, В.Г. Ямпольский, О. Н. Терешин. Антенны УКВ. Часть I. M.: Связь, 1977, стр.171), содержащая первое и второе разнесенные по оси плечи вибратора, образующие в результате разноса зазор между собой, коаксиальный фидер, симметрирующее устройство в виде короткозамкнутого четвертьволнового отрезка двухпроводной линии, причем внешний проводник коаксиального фидера соединен с первым плечом вибратора в упомянутом зазоре, а центральный проводник фидера соединен со вторым плечом вибратора в упомянутом зазоре. При этом обеспечивается распределение тока, симметричное относительно середины вибратора. Благодаря применению в известной второй вибраторной антенне в качестве фидера коаксиального кабеля исключается излучение волн из линии питания, устраняется зависимость параметров линии питания от воздействия атмосферных осадков. Симметрирующее устройство исключает антенный эффект фидера, который, как известно, имеет место при непосредственном подключении внешнего и центрального проводников коаксиального кабеля к первому и второму плечам вибратора соответственно.

Однако известная вторая вибраторная антенна имеет узкий диапазон рабочих частот, не превышающий 4% на уровне КСВ в линии питания, равного величине 1,2.

Известна третья симметричная вибраторная антенна (G. Dash, I. Straus. Reference antennas for emission detection. Патент 4719699 США. - МКИ B 26 F 13/00. - 794780. - 3аявл.04.11.1985. Опубл. 19.01.1988), содержащая первое и второе разнесенные по оси плечи вибратора, образующие в результате разноса между собой зазор, коаксиальный фидер, симметрирующее устройство в виде короткозамкнутого четвертьволнового отрезка двухпроводной линии, разомкнутый четвертьволновый отрезок коаксиальной линии, причем первое и второе плечи вибратора выполнены в виде круговых металлических конусов, имеющих общую ось и обращенных друг к другу вершинами, внешний проводник коаксиального фидера соединен с первым плечом вибратора в упомянутом зазоре, а центральный проводник фидера соединен с центральным проводником упомянутого разомкнутого четвертьволнового отрезка коаксиальной линии, внешний проводник упомянутого разомкнутого четвертьволнового отрезка коаксиальной линии соединен со вторым плечом вибратора в упомянутом зазоре. При этом обеспечивается распределение тока, симметричное относительно середины вибратора. Известная третья симметричная вибраторная антенна устраняет недостатки первой и второй известных симметричных вибраторных антенн. В ней исключено излучение из линии питания, устранена зависимость параметров линии питания от атмосферных осадков, обеспечено согласование фидера с входным импедансом антенны в широком диапазоне частот.

Однако известная третья симметричная вибраторная антенна имеет недостаток, заключающийся в том, что круговые металлические конусы, выполняющие роль плеч вибратора, имеют большие размеры. Как известно, биконус бесконечной длины представляет собой однородную линию, вдоль которой без отражения распространяются поперечные волны. Входное сопротивление такой биконической линии постоянно во всем диапазоне частот и равно ее волновому сопротивлению. При конечной высоте конусов распространяющиеся вдоль них электромагнитные волны частично излучаются, а частично отражаются к вершинам конусов. Чтобы входное сопротивление биконической антенны в довольно широком диапазоне частот слабо зависело от частоты, необходимо определенным образом подобрать величину угла при вершине и высоту конуса. При этом угол при вершине составляет величину 30-60^o. В результате антенна громоздка, имеет большой вес, большую парусность. Указанные недостатки антенны делают ее непригодной для размещения на мачтах и поясах башен. При выполнении вибратора в виде цилиндрических проводников третья известная симметричная вибраторная антенна не имеет заметного преимущества в отношении полосы рабочих частот перед второй известной вибраторной антенной.

Третья известная симметричная антенна с цилиндрическим вибратором, питаемая коаксиальным кабелем, является наиболее близкой к настоящему изобретению по совокупности существенных признаков. Антенна, описанная в упомянутом патенте США 4719699, выделена в качестве прототипа.

Целью настоящего изобретения является расширение рабочего диапазона частот вибраторной антенны.

Поставленная цель достигается тем, что вибраторная антенна, содержащая первое и второе разнесенные по оси плечи первого вибратора, образующие в результате разноса зазор между собой, коаксиальный фидер, соединитель радиочастотный, симметрирующее устройство, устройство компенсации реактивной составляющей входного импеданса антенны, имеющее первый и второй входы, отличающаяся тем, что дополнительно содержит первое и второе плечи второго вибратора, первый и второй проводник, причем первое и второе плечи второго вибратора гальванически соединены между собой, первый упомянутый проводник соединяет первое плечо первого вибратора с первым плечом второго вибратора, второй проводник соединяет второе плечо первого вибратора со вторым плечом второго вибратора, внешний проводник фидера соединен со вторым плечом первого вибратора в упомянутом зазоре, центральный проводник фидера соединен с первым входом устройства компенсации реактивной составляющей входного импеданса антенны, второй вход устройства компенсации реактивной составляющей входного импеданса антенны соединен с первым плечом первого вибратора в упомянутом зазоре.

Введение в состав антенны дополнительно первого и второго плеча второго вибратора, первого и второго проводника и их соединение в антенне как указано выше решает следующие задачи:
- создать антенну, обеспечивающую за счет симметричной системы питания симметричную диаграмму направленности в плоскости Е, без раздвоения диаграммы и без отклонения максимума диаграммы направленности от плоскости, перпендикулярной к вибраторам антенны;
- создать антенну, обеспечивающую круговую диаграмму направленности в плоскости Н, за счет синфазного питания двух вибраторов, разнесенных друг от друга на расстояние, существенно меньшее половины длины волны;
- создать антенну, обеспечивающую устойчивые характеристики излучения при использовании как тонких вибраторов с высоким волновым сопротивлением, так и толстых вибраторов с низким волновым сопротивлением;
- создать антенну, обеспечивающую компенсацию реактивной составляющей входного импеданса антенны в широком диапазоне частот;
- создать антенну, сопротивление излучения которой в широком диапазоне частот изменяется в небольших пределах;
- создать антенну, обеспечивающую низкий КСВ в линии питания за счет согласования входного импеданса антенны с волновым сопротивлением фидера в широкой полосе частот;
- снизить уровень мощности, возвращающийся к передатчику при работе антенны на передачу, за счет согласования антенны с фидером;
- снизить уровень искажений спектра передаваемого (принимаемого) антенной сигнала за счет равномерной амплитудно-фазовой характеристики антенны в диапазоне частот;
- повысить устойчивость антенны к высокочастотному пробою за счет снижения напряженности поля в соединителе радиочастотном вследствие снижения КСВ в линии питания при работе антенны в режиме передачи;
- обеспечить антенну устройствами согласования, во-первых, за счет изменения длины плеч вибраторов, во-вторых, за счет изменения расстояния между первым и вторым вибратором, между проводниками, соединяющими между собой первый и второй вибраторы, и, в третьих, за счет изменения реактивного сопротивления устройства компенсации и тем самым расширить полосу рабочих частот антенны;
- обеспечить простой метод компенсации реактивной составляющей входного импеданса антенны в диапазоне частот;
- обеспечить максимальную передачу мощности за счет согласования с волновым сопротивлением фидера;
- повысить потенциально возможный уровень мощности в выбранном заранее фидере за счет снижения КСВ в нем;
- минимизировать потери в фидере и в результате снизить нагрев фидера при передаче по нему мощности;
- минимизировать излучение (прием) электромагнитных волн фидером (внешней стороной внешнего проводника коаксиального кабеля);
- обеспечить антенну, которая могла бы быть реализована в микрополосковом исполнении;
- создать вибраторную антенну, которая могла бы использоваться как самостоятельная антенна, а так же, как элемент антенной решетки;
- создать антенну, удобную для ее монтажа на трубе или поясе решетчатой башни.

Включением в состав антенны распорки и первой и второй диэлектрической концевой распорки решена задача стабильности параметров антенны при изменении температуры окружающей среды.

Включением в состав антенны обтекателя, первой и второй диэлектрической концевой распорки решена задача защиты вибраторной антенны в соответствии с данным изобретением от воздействия внешних эксплуатационных факторов.

Решение перечисленных выше задач свидетельствует о том, что создана новая и полезная вибраторная антенна, обеспечивающая рабочие характеристики в широком диапазоне частот.

Решение первой из указанных задач получено в результате того, что предложенная широкополосная симметричная вибраторная антенна включает в себя два вибратора цилиндрической формы с симметричным относительно середины вибраторов распределением тока.

Диапазон рабочих частот предложенной антенны со стороны более коротких волн ограничен изменением формы диаграммы направленности (ДН). Используют вибраторы такой длины, при которой ДН имеет только один максимум, ориентированный перпендикулярно оси антенны. Уменьшение длины волны при неизменных размерах вибраторов может привести к появлению двух максимумов, отклоненных от оси антенны. Чтобы избежать раздвоения и отклонения максимума ДН от оси, ограничивают минимальную длину волны в соответствии с неравенством: длина волны более полутора длин вибратора.

Увеличение длины волны может ограничиваться уменьшением коэффициента направленного действия (КНД), но оно оказывается не очень значительным. По этой причине длины волн более трех длин вибратора следует считать наибольшими для вибраторной антенны.

Предложенная антенна может быть настроена в указанном диапазоне частот. Однако наилучшие характеристики по согласованию фидера с антенной получают, когда длины первого и второго вибраторов равны между собой и при этом вибраторы несколько короче половины длины волны.

Решение задачи создания круговой диаграммы направленности в плоскости Н получено путем синфазного возбуждения тока в первом и втором вибраторах и выбором расстояния между ними, много меньшим, чем половина длины волны. В результате изменение разности фаз между сигналами, излучаемыми первым и вторым вибраторами, при перемещении точки наблюдения в дальней зоне вокруг оси антенны пренебрежимо мало. Тогда суммарное поле от двух вибраторов не зависит от положения точки наблюдения на окружности в плоскости Н с центром на оси антенны.

Решение третьей задачи, а именно обеспечение широкой полосы рабочих частот как с тонкими, так и с толстыми вибраторами получено в результате обеспечения сильной электромагнитной связи между первым и вторым вибраторами.

Решение задачи обеспечения простого метода компенсации реактивной составляющей входного импеданса антенны в диапазоне частот достигается тем, что выбором расстояния между первым и вторым вибраторами, а также расстояния между первым и вторым проводниками, устанавливают индуктивный характер реактивной составляющей входного импеданса антенны, которая при настройке компенсируется емкостной реактивностью устройства компенсации, например изменением длины отрезка коаксиальной линии или изменением взаимного расположения пластин конденсатора.

Решение задачи: минимизировать излучение (прием) электромагнитных волн фидером - получено за счет симметричного размещения второго вибратора, первого и второго проводников, соединяющих плечи первого вибратора с плечами второго вибратора, относительно симметрирующего устройства, а также за счет симметричного возбуждения антенны.

На фиг.1 представлена широкополосная вибраторная антенна в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 2 показана область зазора между первым и вторым плечами первого вибратора, соединение между собой фидера, первого вибратора и устройства согласования импеданса антенны.

На фиг.3 показана диэлектрическая концевая распорка.

На фиг.4 изображена диэлектрическая распорка, предназначенная для повышения жесткости конструкции антенны в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.5 изображен обтекатель, предназначенный для защиты соединений между собой фидера, первого вибратора и устройства согласования импеданса антенны, показанных на фиг.2.

На фиг. 6 приведен график зависимости КСВ от частоты антенны в соответствии с настоящим изобретением, реализованной в примере 1. Для сравнения приведен аналогичный график для антенны-прототипа.

На фиг.7 представлена экспериментальная диаграмма направленности в плоскости Н широкополосной вибраторной антенны по настоящему изобретению.

На фиг.8 приведен пример установки широкополосной вибраторной антенны по настоящему изобретению на опоре в виде трубы.

На фиг. 9 приведен пример применения широкополосной вибраторной антенны по настоящему изобретению в качестве элемента антенной решетки, смонтированной на трубе.

На фиг. 10 приведен первый пример применения широкополосной вибраторной антенны по настоящему изобретению в антенне "волновой канал".

На фиг. 11 приведен второй пример применения широкополосной вибраторной антенны по настоящему изобретению в составе антенны "волновой канал".

На фиг.12 приведен пример применения широкополосной вибраторной антенны по настоящему изобретению в составе панельной антенны.

На фиг.13 приведен пример применения широкополосной вибраторной антенны по настоящему изобретению в составе антенн системы, устанавливаемой на поясе радиотелевизионной башни с обеспечением круговой диаграммы направленности в горизонтальной плоскости.

Обратимся к фиг. 1, на которой представлена широкополосная вибраторная антенна в соответствии с настоящим изобретением. Антенна состоит из первого вибратора 1, второго вибратора 2, первого проводника 3, второго проводника 4, симметрирующего устройства 5, устройства компенсации реактивной составляющей входного импеданса антенны 6 (на фиг.1 не показано), фидера 7, соединителя радиочастотного 8, первой 9 и второй 10 диэлектрической концевой распорки, диэлектрической распорки 11, обтекателя 12 (на фиг.1 не показан).

Первый вибратор 1 состоит из первого плеча 13 и второго плеча 14. Первое плечо 13 первого вибратора 1 имеет внутреннюю часть 15 и внешнюю часть 16. Внутренняя 15 и внешняя 16 части разграничены между собой областью 17 соединения проводника 3 с первым плечом 13 первого вибратора 1. Второе плечо 14 первого вибратора 1 состоит из внутренней части 18 и внешней части 19. Внутренняя 18 и внешняя 19 части разграничены между собой областью 20 соединения проводника 4 со вторым плечом 14 первого вибратора 1. Первое 13 и второе 14 плечи первого вибратора 1 разнесены относительно друг друга вдоль оси АА; в результате разноса плеч 13 и 14 вибратора 1 образован зазор 21. Первое 13 и второе 14 плечи первого вибратора 1 выполнены из проводящего материала, например из металлической трубки.

Второй вибратор 2 состоит из первого плеча 22 и второго плеча 23. Первое 22 и второе 23 плечи второго вибратора 2 имеют внутренние части 26 и внешние части 24 и 25 соответственно. Оба плеча 22 и 23 второго вибратора 2 расположены на одной оси. Внутренние части 26 первого 22 и второго 23 плеч вибратора 2 гальванически соединены между собой. Вибратор 2 параллелен вибратору 1. Плечи второго вибратора 2 выполнены из проводящего материала, например из металлического стержня или металлической трубки.

Первый 3 и второй 4 проводники представляют собой отрезки стержней или труб, расположенных симметрично относительно оси ВВ, проходящей перпендикулярно к вибраторам через их середины. Проводники 3 и 4 выполнены из алюминиевого сплава, латуни, стали или иного материала с хорошей проводимостью.

Симметрирующее устройство 5 состоит из первого проводника 29, второго проводника 30, расположенных параллельно друг другу, и короткозамыкателя (перемычки) 31. Короткозамыкатель 31 соединяет между собой проводники 29 и 30 симметрирующего устройства 5. Короткозамыкатель 31 расположен на расстоянии в четверть длины волны (на средней частоте рабочего диапазона) от оси первого вибратора. Проводники 29 и 30 симметрирующего устройства 5 продолжаются за перемычкой 31, образуя конечные участки 32 и 33, предназначенные для крепления антенны на трубе или иной опоре. Короткозамыкатель 31, проводники 29 и 30 симметрирующего устройства 5 выполнены, например, из металлического стержня или металлической трубки из алюминиевого сплава, латуни, стали или иного материала с хорошей проводимостью. Первый 1 и второй 2 вибраторы, проводники 3 и 4, проводники 29 и 30 симметрирующего устройства 5, короткозамыкатель 31 лежат в одной плоскости. При этом проводники 29 и 30 симметрирующего устройства 5 перпендикулярны оси АА первого вибратора 1. Ось ВВ является осью симметрии конструкции, состоящей из первого 1 и второго 2 вибраторов, первого 29 и второго 30 проводников симметрирующего устройства 5, короткозамыкателя 31, проводников 3 и 4.

Устройство 6 компенсации реактивной составляющей входного импеданса антенны (фиг. 2) имеет первый 36 и второй 37 входы. На фиг.2 устройство 6 показано выполненным в виде короткого отрезка коаксиальной линии. Отрезок 6 коаксиальной линии расположен внутри трубки внутренней части 15 первого плеча 13 первого вибратора 1. Конец отрезка 6, противолежащий упомянутому зазору, разомкнут и ни с чем не соединен. Центральный проводник 36 отрезка 6 коаксиальной линии выходит из трубки 13 и простирается до середины зазора 21. Конец 36 центрального проводника в зазоре 21 является первым входом устройства 6 компенсации реактивной составляющей входного импеданса антенны. Конец 37 внешнего проводника коаксиальной линии является вторым входом устройства 6.

В качестве фидера 7 может быть использован серийный коаксиальный кабель, внешний диаметр оболочки которого меньше внутреннего диаметра трубки плеча 13 первого вибратора 1.

В качестве соединителя 8 может быть использован стандартный соединитель радиочастотный.

Первая 9 и вторая 10 диэлектрические концевые распорки (фиг.3) представляют собой две втулки, 38 и 38', соединенные перемычкой 39. Оси втулок 38 и 38' параллельны друг другу. Первая 9 и вторая 10 диэлектрические концевые распорки предназначены для повышения прочности конструкции широкополосной вибраторной антенны, придания ей эстетического вида. Диэлектрические концевые распорки выполнены из диэлектрического материала; такого, например, как светостабилизированный полиэтилен или капролон.

Распорка 11 (фиг. 4) представляет собой параллелепипед с полукруглыми вырезами 40 на торцах. Радиусы вырезов соответствуют внешнему радиусу проводников 29 и 30 симметрирующего устройства 5. Распорка 11 выполнена из диэлектрического материала такого, например, как светостабилизированный полиэтилен или капролон.

Обтекатель 12 (фиг.5) представляет собой полую форму, выполненную из диэлектрического материала. Обеспечивает герметичность области зазора 21 Обтекатель выполнен из диэлектрического материала; такого, например, как светостабилизированный полиэтилен или капролон.

Указанные выше устройства и детали соединены между собой следующим образом.

Первый проводник 3 гальванически соединяет первое плечо 13 первого вибратора 1 с первым плечом 22 второго вибратора 2. Второй проводник 4 гальванически соединяет второе плечо 14 первого вибратора 1 со вторым плечом 23 второго вибратора 2. Внутренняя часть 15 первого плеча 13 первого вибратора 1 присоединена к первому проводнику 29 симметрирующего устройства 5. Внутренняя часть 18 второго плеча 14 первого вибратора 1 присоединена ко второму проводнику 30 симметрирующего устройства 5. В месте соединения второго плеча 14 первого вибратора 1 с трубчатым проводником 30 симметрирующего устройства 5 на трубке 14 выполнено отверстие (на фиг.1 не показано). Фидер 7 проложен внутри второго проводника 30 симметрирующего устройства 5, проходит через упомянутое отверстие, продолжается в сторону зазора 21, проложен внутри трубки внутренней части 18 второго плеча 14 первого вибратора 1, выведен из него и простирается до середины зазора 21. Внешний проводник фидера 7 в зазоре 21 соединен с концом внутренней части 18 второго плеча 14 первого вибратора 1. Центральный проводник фидера 7 соединен с первым входом 36 устройства 6 компенсации реактивной составляющей входного импеданса антенны. Второй конец коаксиального фидера 7 заделан в соединитель радиочастотный 8. Второй вход 37 устройства 6 (внешний проводник коаксиальной линии) соединяется в области зазора 21 с трубкой первого плеча 13 первого вибратора 1. Центральный проводник отрезка 6 коаксиальной линии в области зазора 21, как указано выше, соединен с центральным проводником фидера 7. При этом в качестве отрезка 6 коаксиальной линии используют либо отрезок стандартного коаксиального кабеля, либо отрезок специальной линии передачи, состоящей из внешнего проводника в виде трубки, центрального проводника в виде стержня или трубки и расположенного между ними полого диэлектрического цилиндра.

Первая диэлектрическая концевая распорка 9 установлена на концы внешних частей 16 и 24 первых плеч 13 и 22 первого 1 и второго 2 вибраторов (фиг.1) соответственно. Вторая диэлектрическая концевая распорка 10 установлена на противоположные концы первого 1 и второго 2 вибраторов.

Распорка 11 соединяет между собой проводники 29 и 30 симметрирующего устройства 5 посредством винтов или болтов 41 (фиг.1) таким образом, что она прилегает к проводникам 29 и 30 полукруглыми вырезами 40. Распорка 11 располагается на некотором расстоянии от зазора 21.

Обтекатель 12 смонтирован на первом вибраторе 1 и проводниках 29 и 30 симметрирующего устройства 5.

Для крепления фидера 7 к трубе 30 симметрирующего устройства 5 могут быть использованы стандартизованные хомуты, винты и гайки.

Антенна работает следующим образом.

Антенна возбуждается в зазоре 21 между первым 13 и вторым 14 плечами первого вибратора 1, расположенном симметрично относительно оси симметрии антенны. Длина зазора 21 не превышает одной пятидесятой длины волны. Поэтому неравномерностью в распределении тока на центральном проводнике кабеля в пределах зазора 21 можно практически пренебречь. Следовательно, несимметричный коаксиальный кабель введен в область возбуждения антенны таким образом, что он не нарушает ни физической, ни электрической симметрии антенны. Токи смещения, возникающие между первым вибратором 1 и проводниками 29, 30 симметрирующего устройства, между вторым вибратором 2 и проводниками 29,30 симметрирующего устройства продолжаются токами проводимости на проводниках 29, 30 симметрирующего устройства. При этом амплитуды токов проводимости в упомянутых первом 29 и втором 30 проводниках симметрирующего устройства 5 равны между собой, а фазы токов отличаются на 180^o. Вследствие этого за пределами короткозамыкателя 31 суммарный ток на внешней стороне внешнего проводника фидера 7 равен нулю. Поскольку на внешней стороне внешнего проводника фидера ток равен нулю, то оболочка фидера не излучает (не принимает) электромагнитные волны. Таким образом исключается антенный эффект фидера и связанные с ним непредсказуемые искажения диаграммы направленности антенны, изменения входного импеданса антенны, излучение кроссполяризованного поля.

Указанная выше конструкция антенны обеспечивает согласование антенны с фидером в широком диапазоне частот.

Примеры
Был изготовлен образец широкополосной вибраторной антенны в соответствии с настоящим изобретением.

Образец антенны состоит из первого вибратора 1, второго вибратора 2, первого проводника 3, второго проводника 4, симметрирующего устройства 5, устройства компенсации реактивной составляющей входного импеданса антенны 6, фидера 7, соединителя радиочастотного 8. Первый вибратор 1 состоит из первого плеча 13 и второго плеча 14. Длина каждого плеча равна 610 мм. Первое 13 и второе 14 плечи первого вибратора 1 разнесены по оси АА, в результате разноса плеч вибраторов образован зазор 21 длиной 60 мм. Первое 13 и второе 14 плечи первого вибратора 1 выполнены из трубы диаметром 20 мм из алюминиевого сплава марки АМг6. Вибратор 2 параллелен вибратору 1. Плечи второго вибратора 2 также выполнены из алюминиевой трубки диаметром 20 мм.

Первый 3 и второй 4 проводники расположены симметрично относительно оси ВВ, проходящей перпендикулярно к вибраторам через их середины. Проводники 3 и 4 выполнены из трубы диаметром 20 мм из алюминиевого сплава марки Амг6. Симметрирующее устройство 5 состоит из первого проводника 29 и второго проводника 30, расположенных параллельно на расстоянии 140 мм друг от друга. Проводники 29 и 30 симметрирующего устройства 5 соединены между собой короткозамыкателем (перемычкой) 31, расположенной на расстоянии 720 мм, что соответствует четверти длины волны (на средней частоте рабочего диапазона) от оси первого вибратора 1. Плечи первого вибратора 1 присоединены к трубкам 29 и 30 симметрирующего устройства 5. Первое плечо 13 первого вибратора 1 присоединено к первому проводнику 29 симметрирующего устройства 5. Второе плечо 14 первого вибратора 1 присоединено ко второму проводнику 30 симметрирующего устройства 5. Проводники 29 и 30 симметрирующего устройства 5 продолжаются за перемычкой 31, образуя конечные участки 32 и 33. Короткозамыкатель 31, проводники 29 и 30 симметрирующего устройства 5 выполнены из трубы диаметром 40 мм из алюминиевого сплава марки АМг6. Первый 1 и второй 2 вибраторы, проводники 3 и 4, элементы симметрирующего устройства 5 лежат в одной плоскости. При этом проводники 29 и 30 симметрирующего устройства 5 перпендикулярны оси АА первого вибратора 1.

В месте соединения второго плеча 14 первого вибратора 1 с трубчатым проводником 30 на трубке 14 выполнено отверстие. Фидер 7 выполнен из коаксиального кабеля РК-75-9-12, проложен внутри второго проводника 30 симметрирующего устройства 5, проходит через упомянутое отверстие, продолжается в сторону зазора 21 между плечами первого вибратора 1, проложен внутри трубки внутренней части 18 второго плеча 14 первого вибратора 1, выведен из него и простирается до середины зазора 21. Второй конец коаксиального кабеля 7 заделан в соединитель радиочастотный 8. Внешний проводник фидера 7 в зазоре 21 соединен с концом внутренней части 15 второго плеча 14 первого вибратора 1. Центральный проводник фидера 7 соединен с первым входом 36 устройства 6 компенсации реактивной составляющей входного импеданса антенны.

Устройство 6 компенсации реактивной составляющей входного согласования импеданса антенны выполнено в виде короткого отрезка коаксиального кабеля РК-75-9-12. Отрезок коаксиального кабеля расположен внутри трубки внутренней части 15 первого плеча 13 первого вибратора 1. Конец 33 этого отрезка, противолежащий зазору, разомкнут и закрыт диэлектрическим колпачком. Центральный проводник 36 отрезка 6 коаксиального кабеля выходит из трубки 13 и простирается до середины зазора 21. Внешний проводник отрезка 6 коаксиального кабеля соединяется в области зазора 21 с трубкой первого плеча 13 первого вибратора 1. Центральный проводник 36 отрезка 6 коаксиального кабеля в области зазора 21 соединен с центральным проводником фидера 7.

Распорка 11 (фиг.4) представляет собой параллелепипед с полукруглыми вырезами 40 на торцах. Радиусы вырезов равны 20 мм. Распорка 11 (фиг. 4) соединяет между собой проводники 29 и 30 симметрирующего устройства 5 посредством болтов 41. Распорка 11 расположена на расстоянии 200 мм от первого вибратора 1. Распорка 11 выполнена из капролона.

Обтекатель 12 (фиг. 5) представляет собой полую форму, выполненную из капролона.

В качестве фидера 7 использован коаксиальный кабель РК-75-9-13, внешний диаметр которого меньше внутреннего диаметра трубки плеча первого вибратора.

В качестве соединителя 8 использован соединитель радиочастотный СР-75-167 ПВ.

Измеренные на образце значения КСВ в диапазоне частот приведены в виде графика на фиг.6. Для сравнения на фиг.6 приведен график зависимости КСВ для вибраторной антенны-прототипа. Как видно из графика, диапазон частот, в котором КСВ не превышает величину, равную 1,15, составляет 16% от средней полосы диапазона частот. Что касается прототипа, то диапазон частот с таким же КСВ составляет лишь 2%. На уровне 1,3 полосы частот равны 20% и 6%, соответственно.

Был проведен другой эксперимент по согласованию антенны с фидером. Во втором эксперименте в упомянутом образце антенны отрезок коаксиального кабеля был изъят из образца и вместо него был смонтирован подстроечный конденсатор. С помощью конденсатора была выполнена настройка антенны по согласованию. Из сравнения результатов экспериментов следует вывод о том, что использование отрезка кабеля приводит к несколько лучшим результатам, чем использование конденсатора.

На фиг. 7 представлен график диаграммы направленности антенны по настоящему изобретению в плоскости Н. Как видно из рассмотрения графика, отклонения диаграммы направленности от круга не превышают величину ± 0,8 дБ.

Измерения поляризационных характеристик антенны показали, что антенна обладает линейной поляризацией. Выполненные на антенне измерения свидетельствуют о том, что антенна свободна от антенного эффекта фидера.

Применение изобретения
Изобретение может быть применено в качестве самостоятельной антенны, в качестве элементов более сложных вибраторных антенн, элементов антенных решеток, облучателей зеркальных и линзовых антенн.

На фиг. 8 показано применение антенны в соответствии с настоящим изобретением на опоре в виде трубы. Для крепления на трубе использованы конечные 32, 33 участки труб 29, 30, входящих в симметрирующее устройство 5. Антенна при этом может быть использована либо как самостоятельная антенна, либо в качестве элемента линейной антенной решетки.

На фиг.9 показано применение антенны по настоящему изобретению в составе кольцевой антенной решетки, смонтированной на опоре в виде трубы. Труба может представлять собой отдельно стоящую опору с оттяжками - мачту, либо являться одним из поясов свободно стоящей опоры - решетчатой башни.

На фиг. 10-11 даны два варианта применения широкополосной вибраторной антенны по настоящему изобретению в качестве активного элемента антенны "волновой канал".

На фиг. 12 показано применение широкополосной вибраторной антенны по настоящему изобретению в качестве активных элементов панельной антенны.

На фиг. 13. показано применение широкополосной вибраторной антенны по настоящему изобретению в качестве элемента антенной системы 45, устанавливаемой на одном из поясов 46 типовой радиотелевизионной башни 47 с обеспечением круговой диаграммы направленности. Металлические радиотелевизионные башни 47 высотой 180 м с середины 50-х годов устанавливались в областных центрах и крупных городах страны. Вершины этих башен заняты передающими телевизионными антеннами. В патенте РФ 2121738 С1 (по заявке 97103285/09 от 04.03.97, опубликованному 10.11.1998, Бюл. 31), одним из авторов настоящего изобретения предложена "Антенная система для установки на поясе башни". Указанная антенная система решает проблему, когда требуется высоко поднятая над поверхностью Земли антенна с круговой диаграммой направленности, но для ее размещения нет свободного места на вершине башни (Ю.И. Вахтин, А.Ю. Вахтин, Н.И. Войтович. УКВ антенны для телевизионного и УКВ-ЧМ вещания. Вестник связи 1999 г., 12, стр.67-69). Антенная система содержит систему распределения мощности и излучающие элементы антенной решетки, расположенные вокруг пояса 46 башни 47. Применение широкополосной вибраторной антенны по настоящему изобретению в качестве элемента антенной решетки указанной выше "Антенной системы для установки на поясе башни" расширило диапазон рабочих частот антенной системы. В результате одна антенная система по патенту 2121738 может быть использована для излучения сигналов нескольких передающих станций в диапазоне частот 66-74 МГц, в диапазоне 87,5-108 МГц или в диапазоне частот 100-108 МГц с обеспечением круговой диаграммы направленности в горизонтальной плоскости. Реализация данного изобретения позволит использовать существующие в настоящее время башни для ввода в эксплуатацию станций пейджинговой связи, транкинговых радиотелефонных систем, других систем профессиональной связи с большим радиусом действия станции.

Предложенная широкополосная вибраторная антенна оказывается полезной во всех тех случаях, когда требуется либо самостоятельная вибраторная антенна, либо излучающий (приемный) элемент более сложного антенного устройства или антенной системы, от которых требуется согласование в широкой полосе частот, низкие потери в фидере, высокий кпд. антенны, малый уровень кроссполяризационного излучения.

Claims (8)

1. Широкополосная вибраторная антенна, содержащая первое и второе разнесенные вдоль оси плечи первого вибратора, образующие в результате разноса между собой зазор, фидер, соединитель радиочастотный, симметрирующее устройство, устройство компенсации реактивной составляющей входного импеданса антенны, имеющее первый и второй входы, отличающаяся тем, что дополнительно содержит первое и второе плечи второго вибратора, первый проводник и второй проводник, причем первое и второе плечи второго вибратора гальванически соединены между собой, первый упомянутый проводник соединяет первое плечо первого вибратора с первым плечом второго вибратора, второй проводник соединяет второе плечо первого вибратора со вторым плечом второго вибратора, внешний проводник фидера соединен со вторым плечом первого вибратора в упомянутом зазоре, центральный проводник фидера соединен с первым входом устройства компенсации реактивной составляющей входного импеданса антенны, второй вход устройства компенсации реактивной составляющей входного импеданса антенны соединен с первым плечом первого вибратора в упомянутом зазоре.

2. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что симметрирующее устройство выполнено в виде короткозамкнутого отрезка двухпроводной линии.

3. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что устройство компенсации реактивной составляющей входного импеданса антенны выполнено в виде конденсатора.

4. Антенна по п.2, отличающаяся тем, что устройство компенсации реактивной составляющей входного импеданса антенны выполнено в виде отрезка коаксиальной линии, причем отрезок коаксиальной линии смонтирован внутри трубы, являющейся первым плечом первого вибратора, центральный проводник фидера через упомянутый зазор соединен с центральным проводником отрезка коаксиальной линии, внешний проводник отрезка коаксиальной линии соединен со вторым плечом первого вибратора в упомянутом зазоре.

5. Антенна по п.4, отличающаяся тем, что первое и второе плечи первого вибратора, а также первый и второй проводники отрезка двухпроводной линии выполнены трубчатой конструкции диаметром 20 и 40 мм соответственно, в трубе второго плеча первого вибратора в месте его соединения со вторым трубчатым проводником отрезка двухпроводной линии выполнено отверстие для прохождения фидера, фидер смонтирован внутри второго трубчатого проводника двухпроводной линии и продолжается через упомянутое отверстие, далее фидер проходит в части трубы второго плеча первого вибратора до упомянутого зазора, внешний проводник фидера соединен со вторым плечом первого вибратора в упомянутом зазоре, центральный проводник фидера соединен с центральным проводником отрезка коаксиальной линии, внешний проводник которой соединен с первым плечом первого вибратора в упомянутом зазоре, при этом расстояние между первым и вторым вибраторами равно двум сотым длины волны на средней частоте диапазона, а расстояние между первым и вторым проводниками равно тридцати шести сотым длины волны.

6. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит обтекатель для защиты соединения внешнего проводника фидера со вторым плечом первого вибратора, соединения центрального проводника фидера с первым входом устройства компенсации реактивной составляющей входного импеданса антенны, второго входа устройства компенсации реактивной составляющей входного импеданса антенны с первым плечом первого вибратора от воздействия внешних эксплуатационных факторов.

7. Антенна по п.2, отличающаяся тем, что дополнительно содержит диэлектрическую распорку, установленную между первым и вторым проводниками двухпроводной линии.

8. Антенна по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит первую и вторую диэлектрическую концевую распорку, при этом первая диэлектрическая концевая распорка установлена на конец первого плеча первого вибратора и на конец первого плеча второго вибратора, а вторая диэлектрическая концевая распорка установлена на конец второго плеча первого вибратора и на конец второго плеча второго вибратора.

Images