RU2498466C1

RU2498466C1 - Collinear antenna

Info

Publication number: RU2498466C1
Application number: RU2012119389/08A
Authority: RU
Inventors: Мухтар Муртузалиевич Меджидов; Александр Александрович Иванченко; Шамиль Магомедович Салихов; Олег Владимирович Суворов; Махач Хайрудинович Гаджиев
Original assignee: Открытое акционерное общество Научно-производственный комплекс "Русская радиоэлектроника"
Priority date: 2012-05-11
Filing date: 2012-05-11
Publication date: 2013-11-10

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: structural design is used in form of a pipe on which there are n half-wave radiators and n cables laid in the pipe to feed dipoles.

EFFECT: wider operating band; high gain coefficient; aligning the beam pattern in the azimuthal plane.

5 dwg

Description

Изобретение относится к антенно-фидерным устройствам и может быть использовано в качестве антенны с вертикальной поляризацией электрического поля и круговой диаграммой в горизонтальной плоскости.The invention relates to antenna-feeder devices and can be used as an antenna with vertical polarization of the electric field and a pie chart in the horizontal plane.

Наиболее эффективно предлагаемое изобретение может быть использовано в антенных системах DME - DISTANCE MEASURING EQUIPMENT (оборудование измерения дальности).The most effectively proposed invention can be used in antenna systems DME - DISTANCE MEASURING EQUIPMENT (range measuring equipment).

Известна коллинеарная решетка из двух цилиндрических диполей (P. Volta "Design and Development of an Omnidirectional Antenna With a Collinear Array of Slots", Microwave Journal, 12, 1982, p.111), которая обеспечивает коэффициент усиления 5 dB и КСВ<2 в полосе частот 1030-1060 МГц. Недостатками этой антенны являются небольшая полоса рабочих частот и сложность в реализации антенной системы с большим коэффициентом усиления.A known collinear lattice of two cylindrical dipoles (P. Volta "Design and Development of an Omnidirectional Antenna With a Collinear Array of Slots", Microwave Journal, 12, 1982, p. 111), which provides a gain of 5 dB and an SWR <2 V frequency band 1030-1060 MHz. The disadvantages of this antenna are a small band of operating frequencies and the difficulty in implementing an antenna system with a large gain.

Известна также коллинеарная антенна (патент №2107364), содержащая вертикальную цепочку из активных шунтовых вибраторов закрепленных соосно на металлической трубе. Каждый активный вибратор состоит из двух идентичных плеч аналогичных по конструкции элементов. Распределенная система питания выполнена виде коаксиального тракта образованного линиями передачи расположенными внутри несущей металлической трубы. Геометрические размеры коаксиального фидерного тракта и конструктивных элементов антенны определяются соответствующими соотношениями.Also known collinear antenna (patent No. 2107364) containing a vertical chain of active shunt vibrators mounted coaxially on a metal pipe. Each active vibrator consists of two identical shoulders of similar design elements. The distributed power system is made in the form of a coaxial path formed by transmission lines located inside the carrier metal pipe. The geometric dimensions of the coaxial feeder path and the structural elements of the antenna are determined by the corresponding relationships.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является коллинеарная антенная система DME FAN-96 компании «Thales». Коллинеарная антенная система DME FAN-96 содержит несущую трубу, на которой расположены n полуволновые вибраторы. Плечи этих вибраторов выполнены из двух металлических цилиндров и имеют гальваническую связь с несущей трубой. Питание вибраторов осуществляется коаксиальной линией передачи, центральный провод соединяется к верхнему плечу, а оплетка к нижнему плечу элементарного вибратора. Развязка элементарных вибраторов обеспечивается с помощью объемных резонаторов. Фазировка производится коаксиальными линиями передачи которые проложены в несущей трубе антенной системы.Closest to the technical nature of the proposed device is a collinear antenna system DME FAN-96 of the company "Thales". The DME FAN-96 collinear antenna system contains a carrier tube on which n half-wave vibrators are located. The shoulders of these vibrators are made of two metal cylinders and are galvanically connected to the carrier tube. The vibrators are powered by a coaxial transmission line, the central wire connects to the upper arm, and the braid to the lower arm of the elementary vibrator. The decoupling of elementary vibrators is provided by volume resonators. Phasing is done by coaxial transmission lines that are laid in the carrier pipe of the antenna system.

Недостатками данного прототипа являются:The disadvantages of this prototype are:

- затекание токов на поверхность несущей трубы со стороны верхних плеч вибраторов. Это приводит к электрической асимметрии полуволновых вибраторов,- leakage of currents to the surface of the carrier pipe from the side of the upper arms of the vibrators. This leads to electrical asymmetry of half-wave vibrators,

- неравномерное распределение токов по плечам вибраторов. Обусловлено тем, что ток верхнего плеча протекает не только по поверхности плеча вибратора, но и по внешней поверхности несущей трубы до нижнего плеча соседнего вибратора,- uneven distribution of currents on the shoulders of the vibrators. Due to the fact that the current of the upper arm flows not only along the surface of the vibrator arm, but also along the outer surface of the carrier pipe to the lower arm of the adjacent vibrator,

- взаимовлияние между соседними вибраторами. Для обеспечения развязки между соседними вибраторами и устранения эффекта токового затекания, между активными вибраторами используется четвертьволновой блокирующий резонатор (N.Е. Lindenblad - блокирующий резонатор патент США №2131208, 1936 г.), а это приводит к увеличению массы и ухудшению технологичности антенны,- mutual influence between adjacent vibrators. To ensure decoupling between adjacent vibrators and eliminating the effect of current leakage, a quarter-wave blocking resonator is used between active vibrators (N.E. Lindenblad - blocking resonator, US patent No. 2131208, 1936), and this leads to an increase in mass and a decrease in the manufacturability of the antenna,

- низкое входное сопротивлений вибраторов. Согласование вибраторов производится низкоомными коаксиальными линиями передачи, что также ухудшает технологичность антенны,- low input impedance of vibrators. The matching of the vibrators is carried out by low-impedance coaxial transmission lines, which also affects the manufacturability of the antenna,

- неравномерная диаграмма направленности в следствии нарушения электрической симметрии запитки вибраторов. Для выравнивания диаграммы направленности в горизонтальной плоскости производится шунтирование вибраторов. Применение метода шунтирования вибраторов выравнивает диаграмму направленности в горизонтальной плоскости, но уменьшает диапазон рабочих частот вибраторов.- uneven radiation pattern due to violation of the electrical symmetry of the vibrators. To align the radiation pattern in the horizontal plane, vibrators are bypassed. The use of the shunt method of the vibrators aligns the radiation pattern in the horizontal plane, but reduces the range of operating frequencies of the vibrators.

Задача изобретения состоит в повышении технических характеристик антенны.The objective of the invention is to improve the technical characteristics of the antenna.

Технический результат достигается за счет уменьшения массы; увеличения технологичности; расширения рабочей полосы; увеличения коэффициента усиления; выравнивания диаграммы направленности в азимутальной плоскости.The technical result is achieved by reducing the mass; increase of manufacturability; expansion of the working strip; gain enhancement; alignment of the radiation pattern in the azimuthal plane.

Сущность изобретения в том, что коллинеарная антенная система, включает несущую трубу на которой расположены n-полуволновые излучатели, где несущая труба и n-активные излучатели состоят из двух металлических чашек, гальванически развязанных с несущей трубой, питание излучателей осуществлено коаксиальными линиями передачи через Т-образные делители мощности, которые реализованы на излучающей поверхности элементарных излучателей, центральный проводник которой соединен с верхним плечом излучателя, а экран соответственно с нижним плечом излучателя, электрическая длина коаксиальных линий передачи от точки запитки излучателей до точки вывода из несущей трубы равна λ/4, диэлектрические изоляторы между металлическими чашками служат фиксатором положения излучателей и определителем входного волнового сопротивления излучателей, а диэлектрические шайбы соосно фиксируют излучатели относительно несущей трубы.The essence of the invention is that a collinear antenna system includes a carrier tube on which n-half-wave emitters are located, where the carrier tube and n-active emitters consist of two metal cups galvanically isolated from the carrier tube, the emitters are powered by coaxial transmission lines through T- shaped power dividers, which are implemented on the radiating surface of elementary radiators, the central conductor of which is connected to the upper arm of the emitter, and the screen, respectively, with the lower arm of the emitter, the electric length of the coaxial transmission lines from the point of supply of the emitters to the point of exit from the carrier pipe is λ / 4, the dielectric insulators between the metal cups serve as a position lock of the emitters and a determinant of the input wave resistance of the emitters, and dielectric washers coaxially fix the emitters relative to the carrier pipe.

Элементарные вибраторы антенной системы гальванически развязаны с несущей трубой, питание элементарных вибраторов осуществляется коаксиальной линией передачи, центральный проводник которой соединен с верхним плечом вибратора, а экран соответственно с нижним плечом вибратора. На несущей трубе с помощью металлических фиксаторов закреплены n-активных вибраторов на расстоянии λ/2 (где λ - длина волны) относительно их фазовых центров. Диэлектрические изоляторы выполняют функции фиксации плеч вибраторов, обеспечивают их соосность относительно несущей трубы, и гальваническую развязку вибраторов с несущей трубой. Запитка вибраторов осуществляется через Т-образные делители мощности, реализованные на излучающей поверхности плеч вибратора. Электрическая длинна коаксиальной линии передачи от точки вывода из несущей конструкции до точки запитки элементарного вибратора равна λ/4.The elementary vibrators of the antenna system are galvanically isolated from the carrier tube, the elementary vibrators are powered by a coaxial transmission line, the central conductor of which is connected to the upper arm of the vibrator, and the screen, respectively, with the lower arm of the vibrator. N-active vibrators are fixed on the carrier pipe with metal clamps at a distance of λ / 2 (where λ is the wavelength) relative to their phase centers. Dielectric insulators perform the functions of fixing the shoulders of the vibrators, ensure their alignment with respect to the supporting pipe, and galvanic isolation of the vibrators with the supporting pipe. Vibrators are fed through T-shaped power dividers implemented on the radiating surface of the vibrator arms. The electric length of the coaxial transmission line from the output point from the supporting structure to the power point of the elementary vibrator is equal to λ / 4.

На рис.1 представлена принципиальная конструктивная схема коллинеарной антенны с параллельной запиткой, которая состоит из:Figure 1 shows a schematic structural diagram of a collinear antenna with parallel power supply, which consists of:

1 - несущая труба;1 - supporting pipe;

2 - металлический фиксатор;2 - metal retainer;

3 - чашка вибратора;3 - vibrator cup;

4 - диэлектрический изолятор;4 - dielectric insulator;

5 - диэлектрическая шайба;5 - dielectric washer;

6 - центральный проводник коаксиального кабеля;6 - the central conductor of the coaxial cable;

7 - точка вывода коаксиального кабеля;7 - the output point of the coaxial cable;

8 - точка запитки.8 - point of feeding.

На рис.2 показана чашка элементарного излучателя, в котором реализованы Т-образные делители мощности, где 1 - точка запитки элементарного вибратора антенной системы.Figure 2 shows the cup of an elementary emitter, in which T-shaped power dividers are implemented, where 1 is the power point of the elementary vibrator of the antenna system.

Коллинеарная антенна с параллельной запиткой состоит из несущей трубы 1, на которой с помощью специальных металлических фиксаторов 2 закреплены n активных вибраторв на расстоянии λ/2 друг от друга. Питание вибраторов осуществляется коаксиальной линией, центральный провод 6 соединяется к верхней чашке, а оплетка нижней чашке. Вибратор состоит из двух совершенно одинаковых чашек 3, между ними имеется диэлектрический изолятор 4, который фиксирует расстояние между чашками и несущей трубой. Расстояние между несущей трубой и чашками сверху и снизу зафиксированы диэлектрическими шайбами 5 и на самих чашках имеются Т-образные делители мощности, обеспечивающие синфазное распределение токов на излучающую поверхность вибратора.A collinear antenna with parallel power supply consists of a carrier pipe 1, on which n active vibrators are mounted at a distance λ / 2 from each other using special metal clips 2. The vibrators are powered by a coaxial line, the central wire 6 is connected to the upper cup, and the braid is attached to the lower cup. The vibrator consists of two completely identical cups 3, between them there is a dielectric insulator 4, which fixes the distance between the cups and the carrier tube. The distance between the carrier tube and the cups at the top and bottom is fixed by dielectric washers 5 and on the cups themselves there are T-shaped power dividers that provide in-phase current distribution on the radiating surface of the vibrator.

На ОАО НПК «Русская радиоэлектроника» была изготовлена и прошла испытания предлагаемая коллинеарная антенна.At the NPK Russian Radio Electronics OJSC, the proposed collinear antenna was manufactured and tested.

На рис.3 представлен коэффициент стоячей волны напряжения (КСВН) одиночного излучателя коллинеарной антенны.Figure 3 shows the standing voltage wave coefficient (VSWR) of a single emitter of a collinear antenna.

На рис.4 представлена диаграмма направленности в горизонтальной плоскости.Figure 4 shows the horizontal radiation pattern.

На рис.5 представлена также диаграмма направленности в трехмерном виде.Figure 5 also shows the radiation pattern in three dimensions.

Основные отличия предлагаемой антенной системы, улучшающие ее электрические, конструктивные и технологические характеристики по сравнению с аналогами:The main differences of the proposed antenna system, improving its electrical, structural and technological characteristics compared to analogues:

1. В данной антенной системе вибраторы не имеют гальванической связи с несущей трубой, вследствие чего затекания токов по трубе минимальны и отпадает необходимость в применении четвертьволновых блокирующих резонаторов, которые есть у аналога.1. In this antenna system, the vibrators do not have galvanic connection with the carrier pipe, as a result of which the current flow through the pipe is minimal and there is no need to use quarter-wave blocking resonators, which the analog has.

2. Во всех аналогичных антенных системах электрический центр точки запитки вибратора нарушен, вследствие чего происходит неравномерное распределение токов на излучающую поверхность вибратора и нарушается равномерность диаграммы направленности (ДН) в азимутальной плоскости. ДН выравнивается с помощью шунта. Шунт монтируется в противоположной стороне относительно точки запитки. В предлагаемой антенне не применятся шунтовой метод по следующим причинам: ДН не равномерна в диапазоне рабочих частот; происходит уменьшение диапазона рабочих частот. В предлагаемой антенной системе ДН выравнивается с помощью Т-образных делителей мощности рис.2, через которые осуществляется запитка вибраторов.2. In all similar antenna systems, the electric center of the vibrator's feeding point is violated, as a result of which the current distribution on the radiating surface of the vibrator is uneven and the uniformity of the radiation pattern in the azimuthal plane is violated. DN is aligned with a shunt. The shunt is mounted in the opposite direction relative to the supply point. The proposed antenna does not use the shunt method for the following reasons: the beam pattern is not uniform in the range of operating frequencies; there is a decrease in the range of operating frequencies. In the proposed antenna system, the beam is aligned with the help of T-shaped power dividers Fig. 2, through which the vibrators are powered.

3. В отличие от аналога электрическая длина коаксиальной линии передачи от точки вывода 7, рис.1, до точки запитки 8 равна λ/4, это позволяет существенно снизить антенный эффект коаксиальных кабелей и тем самим обеспечить стабильные электрические характеристики антенной системы.3. In contrast to the analogue, the electric length of the coaxial transmission line from the output point 7, Fig. 1, to the feeding point 8 is equal to λ / 4, this can significantly reduce the antenna effect of coaxial cables and thereby ensure stable electrical characteristics of the antenna system.

Таким образом, применение конструктивной схемы в виде несущей трубы, состоящего из n-ного количество вибраторов с n-ным количеством кабелей, проложенных в трубе для запитки вибраторов, гальваническая развязка, а также применение Т-образного делителя позволяет:Thus, the use of a structural scheme in the form of a carrier pipe, consisting of the nth number of vibrators with the nth number of cables laid in the tube for feeding the vibrators, galvanic isolation, as well as the use of a T-shaped divider allows you to:

1. Уменьшить массу антенны за счет исключения из антенной системы четвертьволновых блокирующих резонаторов.1. To reduce the antenna mass by eliminating quarter-wave blocking resonators from the antenna system.

2. Увеличить технологичность за счет уменьшения количества элементов используемых в антенне, и использования стандартных 50-омных коаксиальных кабелей для запитки вибраторов.2. Increase manufacturability by reducing the number of elements used in the antenna, and using standard 50-ohm coaxial cables to power the vibrators.

3. Увеличить полосу рабочих частот за счет оптимизации формы чашки вибратора.3. Increase the operating frequency band by optimizing the shape of the vibrator cup.

4. Увеличить коэффициент усиления антенны за счет увеличения количества излучателей и оптимального подбора расстояния между ними.4. To increase the antenna gain by increasing the number of emitters and the optimal selection of the distance between them.

5. Добиться равномерной диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, используя Т-образные делители мощности, которые обеспечивают равномерное распределение токов на излучающей поверхности чашек вибратора.5. Achieve a uniform radiation pattern in the horizontal plane, using T-shaped power dividers, which ensure uniform distribution of currents on the radiating surface of the vibrator cups.

Claims

Collinear antenna system comprising a carrier tube on which n-half-wave emitters are located, characterized in that the carrier tube and n-active emitters consist of two metal cups galvanically isolated from the carrier tube, the emitters are powered by coaxial transmission lines through T-shaped dividers power, which are realized on the radiating surface of elementary radiators, the central conductor of which is connected to the upper arm of the emitter, and the screen, respectively, with the lower arm of the emitter , the electric length of the coaxial transmission lines from the point of supply of the emitters to the point of exit from the carrier pipe is λ / 4, the dielectric insulators between the metal cups serve as a fixator of the position of the emitters and a determinant of the input wave resistance of the emitters, and dielectric washers coaxially fix the emitters relative to the carrier pipe.