RU2316855C2

RU2316855C2 - Small-sized antenna

Info

Publication number: RU2316855C2
Application number: RU2006106864/09A
Authority: RU
Inventors: Виктор Бабаевич Ахмедов (RU); Виктор Бабаевич Ахмедов; Борис Иванович Березкин (RU); Борис Иванович Березкин; Алексей Васильевич Витютин (RU); Алексей Васильевич Витютин; Сергей Александрович Воронов (RU); Сергей Александрович Воронов; Валерий Николаевич Елисеев (RU); Валерий Николаевич Елисеев; Андрей Андреевич Катанович (RU); Андрей Андреевич Катанович; Андрей Юрьевич Еркин (RU); Андрей Юрьевич Еркин; Василий Сергеевич Любимов (RU); Василий Сергеевич Любимов; Николай Александрович Малышев (RU); Николай Александрович Малышев; Евгений Александрович Хаджиогло (RU); Евгений Александрович Хаджиогло
Priority date: 2006-03-06
Filing date: 2006-03-06
Publication date: 2008-02-10
Also published as: RU2006106864A

Abstract

FIELD: radio electronics.

SUBSTANCE: proposed small-sized antenna incorporating vertical current-carrying dipole, straight insulated conductors disposed coaxially in parallel with current-carrying dipole, and conducting tube with supporting flange at base that accommodates current-carrying conductor at base arranged along axial line and electrically connected on one end to current-carrying dipole and on other end, to central current-carrying conductor of coaxial feeder whose external conductor is electrically connected to supporting flange of conductive tube and to horizontal screen has its insulated conductors made of sections of current-conductive insulated wire whose length equals axial length of current-carrying dipole and spaced six diameters of insulated current-carrying conductor. Insulated leads of straight insulated conductors are electrically disconnected from each other and from current-carrying dipole; newly introduced in antenna are N coaxially disposed cylinders electrically interconnected at top ends and installed in plane of mentioned conductive tube, as well as insulated loop conductor made of current-conductive insulated wire section whose length equals lower operating frequency wavelength λ and uniformly disposed in the form of uninterrupted loop on externals surface of each of N conductive cylinders along generating line at distance equal to six diameters of current-conductive insulated wire. First conductive cylinder is installed on external insulated surface of mentioned current-carrying conductor and N - 1 conductive cylinders are arranged in turn as insulated loop conductor is disposed, first insulated end of the latter being located on top edge of first conductive cylinder; second end disposed on top edge of last of N conductive cylinders is electrically connected through inductive coils to top end of conductive tube. Current-carrying dipole is made in the form of metal tube accommodating metal probe disposed along its axial length, its top end being electrically connected to that of current-carrying dipole metal tube and bottom end is electrically disconnected.

EFFECT: enlarged functional capabilities in operating range of long and short waves.

1 cl, 2 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано для работы с широкополосными устройствами.The present invention relates to the field of electronics and can be used to work with broadband devices.

Известны конструкции антенн (А.С. СССР №1478272, H01Q 9/02, 1989 г. и А.С. СССР №1601669, H01Q 9/02, 1990 г.).Antenna designs are known (AS USSR No. 1478272, H01Q 9/02, 1989 and AS USSR No. 1601669, H01Q 9/02, 1990).

Эти антенны выполнены в виде двухпроводной линии с распределенными параметрами, которые содержат два изолированных друг от друга, электрически разомкнутых на концах проводника, один изолированный проводник является активным - электрически соединен с генератором, второй изолированный проводник - пассивный, возбуждаемый полем, которое создает активный токоведущий проводник, за счет электродинамического взаимодействия друг на друга изолированных проводников улучшаются электродинамические характеристики антенны. Так как изолированные проводники не содержат дополнительных активных сопротивлений, то линия относится к линиям без потерь.These antennas are made in the form of a two-wire line with distributed parameters, which contain two isolated from each other, electrically open at the ends of the conductor, one insulated conductor is active - electrically connected to the generator, the second insulated conductor is passive, excited by the field, which creates an active current-carrying conductor , due to the electrodynamic interaction of insulated conductors on each other, the electrodynamic characteristics of the antenna are improved. Since insulated conductors do not contain additional active resistances, the line refers to lossless lines.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой антенне является антенна, выбранная в качестве прототипа (А.С. СССР №1478272, H01Q 9/02, 1989 г.).Closest to the technical nature of the claimed antenna is an antenna selected as a prototype (AS USSR No. 1478272, H01Q 9/02, 1989).

Антенна содержит вертикальный токоведущий вибратор, прямолинейные изолированные проводники, расположенные параллельно токоведущему вибратору, и проводящую трубу с опорным фланцем в основании, во внутренней полости которого вдоль осевой длины расположен токоведущий проводник, электрически соединенный одним концом с токоведущим вибратором, вторым - с центральным токоведущим проводником коаксиального фидера, внешний проводник которого электрически соединен с опорным фланцем проводящей трубы и горизонтальным экраном.The antenna contains a vertical current-carrying vibrator, rectilinear insulated conductors located parallel to the current-carrying vibrator, and a conducting pipe with a support flange at the base, in the internal cavity of which along the axial length there is a current-carrying conductor, electrically connected at one end to a current-carrying vibrator, and the second to the central current-carrying conductor of the coaxial feeder, the outer conductor of which is electrically connected to the support flange of the conductive pipe and a horizontal screen.

Недостатком как аналогов, так и прототипа является высокое численное значение коэффициента стоячей волны напряжения (КСВН) на входе антенны в диапазоне длинных волн: длина рабочей волны намного превышает геометрическую длину антенны, и в диапазоне коротких волн: между полосами естественного согласования антенны при параллельном резонансе.The disadvantage of both analogues and the prototype is the high numerical value of the standing voltage wave coefficient (VSWR) at the antenna input in the long wavelength range: the working wavelength is much greater than the geometric length of the antenna, and in the short wavelength range: between the bands of natural matching of the antenna with parallel resonance.

Указанные недостатки уменьшают функциональные возможности малогабаритной геометрически короткой антенны, так как высокое численное значение КСВН ведет к искажению сигнала при прохождении через антенну, уменьшению входного тока при измененном напряжении генератора, что уменьшает зону уверенного приема информации и надежности радиосвязи.These shortcomings reduce the functionality of a small geometrically short antenna, since the high numerical value of the VSWR leads to a distortion of the signal when passing through the antenna, a decrease in the input current when the voltage of the generator is changed, which reduces the zone of reliable information reception and radio communication reliability.

В связи с этим поставленной технической задачей является расширение функциональных возможностей малогабаритной геометрически короткой антенны в рабочих диапазонах длинных и коротких волн.In this regard, the stated technical task is to expand the functionality of a small geometrically short antenna in the operating ranges of long and short waves.

Ее решение достигается тем, что в известной малогабаритной антенне прямолинейные изолированные проводники выполнены из отрезков токопроводящего изолированного провода длиной, равной осевой длине токоведущего вибратора, и расположены на его внешней поверхности равномерно по диаметру на расстоянии, равном шести диаметрам токопроводящего изолированного провода, изолированные концы прямолинейных изолированных проводников электрически разомкнуты между собой и токоведущим вибратором, при этом введены дополнительно N проводящих цилиндров, коаксиально расположенных, изолированных друг от друга, электрически соединенных между собой верхними концами, установленных во внутренней полости вышеуказанной проводящей трубы с опорным фланцем в основании, и петлевой изолированный проводник, который выполнен из отрезка токопроводящего изолированного провода длиной, равной длине λ, и расположенный в виде неразрывной петли на внешней поверхности каждого N проводящего цилиндра вдоль образующей равномерно по диаметру на расстоянии, равном шести диаметрам токопроводящего изолированного провода, причем первый проводящий цилиндр установлен на изолированную внешнюю поверхность вышеуказанного токоведущего проводника, а N-1 проводящие цилиндры установлены поочередно по мере расположения петлевого изолированного проводника, первый изолированный конец которого расположен на верхней кромке первого проводящего цилиндра, а второй конец, расположенный на верхней кромке последнего N проводящего цилиндра, электрически соединен через индуктивности с верхним концом проводящей трубы с опорным фланцем в основании, при этом токоведущий вибратор выполнен в виде металлической трубы, во внутренней полости которой вдоль осевой длины установлен металлический штырь, верхний конец которого электрически соединен с верхним концом металлической трубы токоведущего вибратора, а нижний конец электрически разомкнут.Its solution is achieved by the fact that in the known small-sized antenna, straight-line insulated conductors are made of segments of a conductive insulated wire with a length equal to the axial length of the current-carrying vibrator and are located on its outer surface uniformly in diameter at a distance equal to six diameters of the conductive insulated wire, insulated ends of rectilinear insulated conductors are electrically open to each other and the current-carrying vibrator, while an additional N conductive cylinders are introduced ditch coaxially located, isolated from each other, electrically interconnected by the upper ends, installed in the inner cavity of the aforementioned conductive pipe with a support flange at the base, and a loop insulated conductor, which is made of a piece of conductive insulated wire with a length equal to the length λ, and located in the form of an inextricable loop on the outer surface of each N conductive cylinder along the generatrix uniformly in diameter at a distance equal to six diameters of the conductive insulating a wire, wherein the first conductive cylinder is mounted on an insulated outer surface of the aforementioned current-carrying conductor, and N-1 conductive cylinders are installed alternately as the loop insulated conductor is located, the first insulated end of which is located on the upper edge of the first conductive cylinder, and the second end, located on the upper the edge of the last N conductive cylinder, electrically connected through inductances to the upper end of the conductive pipe with a support flange at the base, while The current-carrying vibrator is made in the form of a metal pipe, in the inner cavity of which a metal pin is installed along the axial length, the upper end of which is electrically connected to the upper end of the metal pipe of the current-carrying vibrator, and the lower end is electrically open.

Сущность изобретения поясняется фиг.1, где схематично изображена предлагаемая малогабаритная антенна.The invention is illustrated in figure 1, which schematically depicts the proposed small antenna.

На фиг.2 показано экспериментальное подтверждение электродинамических характеристик заявляемой антенны: частотная зависимость численного значения КСВН антенны h=2,5 м в диапазоне рабочих частот 1,5-100 МГц.Figure 2 shows the experimental confirmation of the electrodynamic characteristics of the claimed antenna: the frequency dependence of the numerical value of the VSWR of the antenna h = 2.5 m in the operating frequency range of 1.5-100 MHz.

Предлагаемая антенна состоит из токоведущего вибратора 1, выполненного из отрезка металлической трубы длиной, равной 2 метрам, с внешним диаметром 30 мм×1,0 мм; металлического штыря 2, установленного во внутренней полости вдоль осевой длины токоведущего вибратора 1 и электрически соединенного с ним верхним концом, выполненного из отрезка металлической трубы длиной, равной 1,8 м, с внешним диаметром 12 мм×1,5 мм; прямолинейных изолированных проводников 3, выполненных из десяти равных по длине 2,0 м отрезков токопроводящего изолированного провода типа МГШВ 1,5 мм, расположенных на внешней поверхности вдоль осевой длины токоведущего вибратора 1 равномерно по диаметру на расстоянии 9 мм; диэлектрического изолятора 4, выполненного из фторопласта типа 4ГН с внешним диаметром 90 мм, толщиной 15 мм; проводящей трубы с опорным фланцем в основании 5, изготовленной из металлической трубы типа Амr6 длиной 500 мм, с внутренним и внешним диаметрами соответственно 80 мм и 92 мм, опорный фланец выполнен также из трубы типа Амr6 с внешним диаметром 120 мм×20 мм; токоведущего проводника 6, расположенного во внутренней полости вдоль осевой длины проводящей трубы с опорным фланцем в основании 5 и выполненного из отрезка металлической трубы типа ДКРНП НД Л63 длиной 500 мм с внешним диаметром 12 мм×1,5 мм, электрически соединенного верхним концом с нижним концом токоведущего вибратора 1; проводящих цилиндров 7, N=30, установленных во внутренней полости проводящей трубы с опорным фланцем в основании 5, коаксиально расположенных и изолированных друг от друга, электрически соединенных верхними концами, выполненных из тридцати отрезков металлической фольги типа НДМ1 толщиной 0,5 мм, длина образующей проводящих цилиндров равна 400 мм, внешний диаметр цилиндров равен 60 мм, первый проводящий цилиндр 7 установлен коаксиально на изолированную внешнюю поверхность токоведущего проводника 6, тридцать проводящих цилиндров устанавливаются поочередно по мере расположения петлевого изолированного проводника 8; петлевого изолированного проводника 8, выполненного из отрезка токопроводящего изолированного провода типа МГШВ 1,5 мм длиной 200 м (длина волны нижней рабочей частоты f=1,5 МГц), расположенного в виде неразрывной петли на внешней поверхности каждого проводящего цилиндра 7 вдоль образующей равномерно по диаметру на расстоянии 9 мм, первый изолированный конец расположен на верхнем конце первого проводящего цилиндра 7 и электрически соединен через индуктивность 9 с верхним концом проводящей трубы с опорным фланцем в основании 5; индуктивности 9, численное значение индуктивности составляет α=1,2 мкГн, выполненной из отрезка провода типа ПЭВ-2-1,5, шаг намотки индуктивности 3,0 мм. Антенна также содержит высокочастотный коаксиальный разъем 10, установленный в нижней части проводящей трубы с опорным фланцем в основании 5, который обеспечивает электрическое и механическое соединение с коаксиальным фидером 11.The proposed antenna consists of a current-carrying vibrator 1 made of a piece of metal pipe with a length of 2 meters with an external diameter of 30 mm × 1.0 mm; a metal pin 2 installed in the inner cavity along the axial length of the current-carrying vibrator 1 and electrically connected to it by the upper end, made of a piece of metal pipe 1.8 m long with an external diameter of 12 mm × 1.5 mm; rectilinear insulated conductors 3 made of ten equal to 2.0 m lengths of conductive insulated wire of type MGShV 1.5 mm located on the outer surface along the axial length of the current-carrying vibrator 1 uniformly in diameter at a distance of 9 mm; dielectric insulator 4 made of fluoroplastic type 4GN with an external diameter of 90 mm, a thickness of 15 mm; a conductive pipe with a support flange in base 5 made of a metal pipe of type Amr6 500 mm long with internal and external diameters of 80 mm and 92 mm, respectively, the supporting flange is also made of a pipe of type Amr6 with an external diameter of 120 mm × 20 mm; current-carrying conductor 6 located in the inner cavity along the axial length of the conducting pipe with a support flange at the base 5 and made of a piece of a metal pipe of the type DKRNP ND L63 500 mm long with an outer diameter of 12 mm × 1.5 mm, electrically connected with its upper end and lower end current-carrying vibrator 1; conductive cylinders 7, N = 30, installed in the inner cavity of the conductive pipe with a support flange at the base 5, coaxially located and isolated from each other, electrically connected by their upper ends, made of thirty pieces of metal foil type NDM1 0.5 mm thick, the length of the generatrix conductive cylinders is 400 mm, the outer diameter of the cylinders is 60 mm, the first conductive cylinder 7 is mounted coaxially on the insulated outer surface of the conductive conductor 6, thirty conductive cylinders are installed I turn as the location of the loop insulated conductor 8; loop insulated conductor 8 made of a piece of conductive insulated wire of type MGShV 1.5 mm 200 m long (wavelength of the lower working frequency f = 1.5 MHz), located in the form of a continuous loop on the outer surface of each conductive cylinder 7 along the generatrix uniformly along diameter at a distance of 9 mm, the first insulated end is located on the upper end of the first conductive cylinder 7 and is electrically connected through inductance 9 to the upper end of the conductive pipe with a support flange in the base 5; inductance 9, the numerical value of the inductance is α = 1.2 μH, made from a piece of wire type PEV-2-1.5, the pitch of the inductance is 3.0 mm. The antenna also contains a high-frequency coaxial connector 10 mounted in the lower part of the conductive pipe with a support flange in the base 5, which provides electrical and mechanical connection with the coaxial feeder 11.

Изоляция проводящих цилиндров 7, токоведущего проводника 6 выполнена фторопластовой лентой типа Ф-430 толщиной 0,05 мм. Токоведущий вибратор 1 с прямолинейными изолированными проводниками 3 покрыт трубкой типа ТЕРМОФИТ-ТУТ.The insulation of the conductive cylinders 7, the current-carrying conductor 6 is made of a fluoroplastic tape of type F-430 with a thickness of 0.05 mm. The current-carrying vibrator 1 with rectilinear insulated conductors 3 is covered with a TERMOFIT-TUT type tube.

Антенна работает следующим образом. The antenna works as follows.

В передающем режиме входное напряжение генератора 12 подводится по коаксиальному фидеру 11 к токоведущему проводнику 6 и распространяется в токоведущем вибраторе 1. В диапазоне длинных волн 1,5-12 МГц, от нижней рабочей частоты до частоты естественного согласования антенны, работают одновременно первая и вторая двухпроводные линии. В первой двухпроводной линии, расположенной во внутренней полости проводящей трубы с опорным фланцем в основании 5, ток, текущий по токоведущему проводнику 6, создает поле, которое возбуждает токи в проводящих цилиндрах 7 и петлевом изолированном проводнике 8. Экспериментально установлено, что проводящие цилиндры 7 и петлевой изолированный проводник 8 представляют один пассивно возбуждаемый изолированный проводник. Ток, возбуждаемый в петлевом изолированном проводнике 8, через индуктивность 9, электрически соединенную с проводящей трубой с опорным фланцем в основании 5, поступает во внешний проводник коаксиального фидера 11 к корпусу генератора 12. За счет этого тока и электродинамического воздействия изолированных проводников 6, 7 и 8 первой линии в диапазоне длинных рабочих волн устанавливается режим, близкий к режиму бегущей волны. Кроме этого, во внешний проводник коаксиального фидера к корпусу генератора 12 поступают токи проводимости горизонтального экрана, возбуждаемые полем излучения токоведущего вибратора 1 с прямолинейными изолированными проводниками 3. В диапазоне коротких рабочих волн 12-100 МГц, от частоты естественного согласования антенны до верхней рабочей частоты, работает только вторая двухпроводная линия - токоведущий вибратор 1 с прямолинейными изолированными проводниками 3, в токе петлевого изолированного проводника 8 нет необходимости, поэтому поступление тока во внешний проводник коаксиального фидера 11 ограничивается индуктивностью 9, величина которой возрастает на верхних рабочих частотах. Расширение естественной полосы согласования в область длинных волн от 30 МГц к 12 МГц, см. фиг.2, обеспечивается за счет металлического штыря 2, установленного во внутренней полости токоведущего вибратора 1 и электрически соединенного с ним верхним концом; режим, близкий к режиму бегущей волны в диапазоне коротких волн, обеспечивается за счет электродинамического взаимодействия токоведущего вибратора 1 и прямолинейных изолированных проводников 3, которое увеличивается с ростом рабочей частоты. В диапазоне коротких волн во внешний проводник коаксиального фидера 11 к корпусу генератора 12 поступают только токи проводимости горизонтального экрана, возбуждаемые полем излучения токоведущего вибратора 1 с прямолинейными изолированными проводниками 3. На фиг.2 показана частотная зависимость численного значения КСВН в диапазоне частот 1,5-100 МГц геометрически короткой антенны высотой h=2,5 м, волновое сопротивление ρ=75 Ом.In the transmitting mode, the input voltage of the generator 12 is fed through a coaxial feeder 11 to the current-carrying conductor 6 and propagates in the current-carrying vibrator 1. In the long wavelength range of 1.5-12 MHz, from the lower operating frequency to the frequency of natural matching of the antenna, the first and second two-wire simultaneously work lines. In the first two-wire line located in the inner cavity of the conductive pipe with a support flange at the base 5, the current flowing through the current-carrying conductor 6 creates a field that excites currents in the conductive cylinders 7 and the loop insulated conductor 8. It has been experimentally established that the conductive cylinders 7 and loop insulated conductor 8 represents one passively driven insulated conductor. The current excited in the loop insulated conductor 8, through the inductance 9, electrically connected to a conductive pipe with a support flange in the base 5, enters the outer conductor of the coaxial feeder 11 to the housing of the generator 12. Due to this current and the electrodynamic effect of the insulated conductors 6, 7 and 8 of the first line in the range of long working waves, a mode is established that is close to the traveling wave mode. In addition, the external conductor of the coaxial feeder to the housing of the generator 12 receives the conduction currents of the horizontal screen, excited by the radiation field of a current-carrying vibrator 1 with rectilinear insulated conductors 3. In the range of short working waves 12-100 MHz, from the frequency of natural matching of the antenna to the upper working frequency, only the second two-wire line works - a current-carrying vibrator 1 with rectilinear insulated conductors 3, there is no need for a loop current of insulated conductor 8, therefore tuplenie current in the outer conductor of the coaxial feeder 11 is limited to 9 inductance, the value of which increases at higher operating frequencies. The extension of the natural matching band in the region of long waves from 30 MHz to 12 MHz, see figure 2, is provided by a metal pin 2 mounted in the inner cavity of the current-carrying vibrator 1 and electrically connected to it by the upper end; a mode close to that of a traveling wave in the short-wave range is ensured by the electrodynamic interaction of the current-carrying vibrator 1 and rectilinear isolated conductors 3, which increases with increasing operating frequency. In the short-wave range, only the horizontal screen conductivity currents excited by the radiation field of the current-carrying vibrator 1 with rectilinear insulated conductors 3 are fed to the external conductor of the coaxial feeder 11 to the generator conductor 12. Figure 2 shows the frequency dependence of the numerical value of the VSWR in the frequency range 1.5- 100 MHz geometrically short antenna height h = 2.5 m, wave impedance ρ = 75 Ohms.

Таким образом, заявляемая конструкция малогабаритной антенны с сильной емкостной связью между изолированными проводниками и соответственно сильным электродинамическим воздействием друг на друга изолированных проводников обеспечивает новое качество - режим, близкий к режиму бегущей волны в рабочих диапазонах длинных и коротких волн, что обеспечивает увеличение функциональных возможностей антенны. Предлагаемая антенна может быть использована для ведения радиосвязи и радионавигации в совмещенных рабочих диапазонах частот от 0,3 до 600 МГц.Thus, the claimed design of a small-sized antenna with strong capacitive coupling between the insulated conductors and, accordingly, the strong electrodynamic effect of the insulated conductors on each other, provides a new quality - a mode close to the traveling wave mode in the operating ranges of long and short waves, which increases the functionality of the antenna. The proposed antenna can be used for radio communications and radio navigation in combined operating frequency ranges from 0.3 to 600 MHz.

Claims

A small antenna containing a vertical current-carrying vibrator, rectilinear insulated conductors located coaxially parallel to the current-carrying vibrator, and a conductive tube with a support flange in the base, in the cavity of which along the axial length there is a current-carrying conductor, electrically connected at one end to a current-carrying vibrator, and the second to the central current-carrying a coaxial feeder conductor, the outer conductor of which is electrically connected to the support flange of the conductive pipe and a horizontal screen m, characterized in that the insulated conductors are made of segments of a conductive insulated wire with a length equal to the axial length of the current-carrying vibrator, and are located on its outer surface uniformly at a distance equal to six diameters of the conductive insulated wire, the insulated ends of rectilinear insulated conductors are electrically open to each other and current-carrying vibrator, while additionally introduced N conductive cylinders, coaxially arranged, electrically connected between themselves the upper ends installed in the cavity of the aforementioned conductive pipe, and a loop insulated conductor, which is made of a piece of conductive insulated wire with a length equal to the wavelength λ of the lower operating frequency, and is located in the form of a continuous loop on the outer surface of each of the N conductive cylinders along the generatrix evenly at a distance equal to six diameters of the conductive insulated wire, the first conductive cylinder mounted on the insulated outer surface of the above current lead conductor, and N-1 conductive cylinders are installed alternately as the loop insulated conductor is located, the first insulated end of which is located on the upper edge of the first conductive cylinder, the second end located on the upper edge of the last N conductive cylinder is electrically connected via inductors to the upper end of the conductive pipes, while the current-carrying vibrator is made in the form of a metal pipe, in the cavity of which a metal pin is installed along the axial length, the upper end of which The electrical connected to the upper end of the metal tube current conducting vibrator and the bottom end is electrically open.