RU2538909C1 - Диапазонный ультракоротковолновый вибратор - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве приемной и/или передающей УКВ антенны совместно с широкодиапазонными УКВ радиостанциями. Технический результат - возможность формирования неискаженной формы диаграммы направленности (ДН) и уменьшение электрических размеров вибратора. Диапазонный УКВ вибратор состоит из полого металлического конуса (ПМК) 1 высотой Н_пмк и с углом при вершине α, дополнительного металлического конуса (ДМК) 2 высотой Н_дмк и с углом при вершине β и полого усеченного металлического конуса (ПУМК) 3 высотой Н_пумк=Н_дмк с углом при вершине γ. ПМК 1 установлен вертикально над проводящей поверхностью 4 и обращен к ней вершиной. ДМК 2 и ПУМК 3 размещены в полости ПМК 1 соосно с ним. ДМК 2 размещен в полости ПУМК 3. Плоскости раскрывов меньшего основания ПУМК 3, раскрыва ПМК 1 и вершина ДМК 2 совмещены. Большее основание ПУМК 3 конгруэнтно основанию ДМК 2. Оба основания совмещены друг с другом и электрически подключены к внутренней поверхности ПМК 1. Коаксиальный фидер 5 центральным проводником подключен к вершине ПМК 1, а экранной оболочкой - к проводящей поверхности 4. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антенной технике и, в частности, диапазонный ультракоротковолновый (УКВ) вибратор может быть использован в качестве приемной и/или передающей антенны совместно с широкодиапазонными УКВ радиостанциями.

Известна слабонаправленная диапазонная антенна по патенту РФ №2207673, опубл. 27.06.2003, состоящая из полого металлического конуса и расположенного над его вершиной, ортогонально его оси металлического проводника в форме металлического кольца, в плоскости которого расположена металлическая спираль. Внешний конец спирали электрически соединен с металлическим кольцом, а к центру спирали прикреплен центральный проводник коаксиального фидера, установленного в полости металлического конуса. Внешний проводник коаксиального фидера подключен к вершине металлического конуса.

Недостатком данного аналога являются его относительно большие электрические размеры, что ограничивает возможность его использования, например, на летательных аппаратах.

Известен также конический несимметричный вибратор, описанный в книге «Антенны УКВ», под ред. Г.З. Айзенберга. 4.1, - М.: «Связь», 1977, с.183-185. Вибратор состоит из полого металлического конуса (ПМК) высотой Н_пмк с углом при вершине α, установленного вертикально над проводящей поверхностью и обращенного к ней вершиной, дополнительного металлического конуса (ДМК), высотой h и с углом при вершине β. Основания ПМК и ДМК конгруэнтны, обращены друг к другу и электрически соединены. Коаксиальный фидер подключен центральным проводником к вершине ПМК, а экранной оболочкой к проводящей поверхности, над которой он установлен.

Недостатком данного аналога также являются его относительно большие электрические размеры.

Наиболее близким аналогом (прототипом) по своей технической сущности к заявленному УКВ вибратору является конический несимметричный вибратор по патенту РФ №2448395, опубл. 20.04.2012 г.

Ближайший аналог состоит из ПМК высотой Н_пмк с углом при вершине α, установленного вертикально над проводящей поверхностью и обращенного к ней вершиной, ДМК высотой Н_дмк и с углом при вершине β, установленного соосно с ПМК, коаксиального фидера, центральный проводник которого подключен к вершине ПМК, а внешний проводник к проводящей поверхности. При этом ДМК установлен внутри ПМК. Причем вершина ДМК совпадает с плоскостью разрыва ПМК, а его основание электрически соединено с внутренней поверхностью ПМК.

При таком исполнении прототип в сравнении с рассмотренными аналогами имеет меньшие электрические размеры.

Недостатком ближайшего аналога остаются все же его относительно большие электрические размеры, определяемые отношением его физической высоты Н_пмк к длине наибольшей рабочей волны λ_max.

Целью изобретения является разработка диапазонного УКВ вибратора, обладающего меньшими электрическими размерами, т.е меньшим соотношением Н_пмк/λ_max при одновременном обеспечении требуемого качества согласования.

Поставленная цель достигается тем, что в известном диапазонном УКВ вибраторе, содержащем ПМК высотой Н_пмк с углом при вершине α, установленный вертикально над проводящей поверхностью и обращенный к ней вершиной, ДМК высотой Н_дмк и с углом при вершине β, установленный в полости ПМК соосно с ним, причем вершина ДМК совпадает с плоскостью раскрыва ПМК, а основание ДМК электрически соединено с внутренней поверхностью ПМК, и коаксиальный фидер, центральный проводник которого подключен к вершине ПМК, а его экранная оболочка подключена к проводящей поверхности, дополнительно в полость ПМК установлен полый усеченный металлический конус (ПУМК), с углом при вершине γ. ПУМК установлен в полости ПМК соосно с ним и с ДМК. При этом ДМК размещен в полости ПУМК. Высота Н_пмк ПУМК равна высоте Н_дмк. Плоскость раскрыва меньшего основания ПУМК совмещена с плоскостью раскрыва ПМК, а большее основание ПУМК конгруэнтно основанию ДМК, совмещено и электрически соединено с ним. Высота Н_пмк выбрана из условия Н_пмк≥0,2λ_max. Углы α=45°-55°; β=45°-55°; γ=20°-30°. Высоты Н_дмк и Н_пумк выбраны из условия Н_дмк=Н_пумк=(0,4-0,6)Н_пмк.

Новая совокупность существенных признаков обеспечивает формирование вибратора с учетом принципа самодополнительности и увеличения пути протекания тока проводимости, что эквивалентно использованию верхней емкостной нагрузки, «встроенной» в габариты ПМК без увеличения его физических размеров, т.е. снижение электрических размеров вибратора.

Заявленный диапазонный УКВ вибратор поясняется чертежами, на которых показано:

на фиг.1 - общий вид вибратора;

на фиг.2 - рисунок, поясняющий работу вибратора;

на фиг.3 - результаты измерения качества согласования (КБВ);

на фиг.4 - результаты измерения ДН.

Заявленный диапазонный УКВ вибратор, показанный на фиг.1, состоит из ПМК 1 высотой Н_пмк, с углом при вершине α, ДМК 2 высотой Н_дмк и с углом при вершине β и ПУМК 3 высотой Н_дмк=Н_пумк и с углом при вершине γ. ПМК 1 установлен вертикально над проводящей поверхностью 4, и обращен к ней вершине. Коаксиальный фидер 5 центральным проводником подключен (точка «а») к вершине ПМК 1, а экранной оболочкой подключен (точка «б») к проводящей поверхности 4. В случае установки вибратора на законцовке элемента конструкции летательного аппарата, например самолета, ракеты и т.п. Он может быть закрыт радиопрозрачным обтекателем 6. ДМК 2 и ПУМК 3 размещены в полости ПМК 1 соосно с ним. В свою очередь ДМК 2 размещен в полости ПУМК 3. Плоскости раскрывов меньшего основания ПУМК 3, раскрыва ПМК 1 и вершина ДМК 2 совмещены. Большее основание ПУМК 3 конгруэнтно основанию ДМК 2. Оба основания совмещены друг с другом и электрически подключены к внутренней поверхности ПМК 1.

Заявленный диапазонный вибратор работает следующим образом.

При подаче возбуждающей ЭДС по коаксиальному фидеру 5 (к точкам «а»-«б») высокочастотный (в.ч.) ток проводимости I_пр протекает (см. фиг.2) от точки «а» по внешней поверхности ПМК 1, далее по его внутренней поверхности, внешней поверхности ПУМК 3, его внутренней поверхности, внешней поверхности ДМК 2, затем переходит в ток смещения I_см и замыкается через ток проводимости по проводящей поверхности 4 к точкам «б» коаксиального фидера 5. Траектория в.ч. тока показана на фиг.2 стрелками. Путь тока проводимости увеличивается за счет принятой конструкции, что эквивалентно «удлинению» вибратора по аналогии с использованием верхней емкостной нагрузки у обычных штыревых антенн. В данном случае емкостная нагрузка «упакована» в пределах габаритов ПМК 1.

Соотношения физических размеров элементов конструкции заявленного вибратора и их параметров Н_пмк, Н_дмк, Н_пумк, α, β, γ, при которых достигается указанный технический результат, были определены экспериментально и составили: Н_пмк≥0,2λ_max; Н_дмк=(0,4-0,6)Н_пмк; Н_пумк=(0,4-0,6)Н_пмк; α=45°-55°; β=45°-55°; γ=20°-30°.

Оптимальными значениями указанных параметров для достижения минимальных электрических размеров вибратора являются их средние значения в приведенных интервалах.

Проверка возможности достижения ожидаемого результата была выполнена путем сравнительных измерений качества согласования (коэффициента бегущей волны - КБВ) и формы диаграммы направленности (ДН) заявленного вибратора и прототипа при следующих условиях.

Для заявленного вибратора:

λ_max=2,0 м; волновое сопротивление коаксиального фидера ρ_ф=50 Ом; Н_пмк=0,4 м; Н_дмк=Н_пумк=0,2 м; α=52°; β=52°; γ=50°.

Для прототипа:

λ_max=2,0 м; волновое сопротивление коаксиального фидера ρ_ф=50 Ом; Н_пмк=0,4 м; α=47°; β=60°.

Результаты измерений, приведенные на фиг.3 (КБВ) и фиг.4 (ДН), дают основание для следующих выводов.

При равных физических размерах по высоте уровень КБВ≥0,4 обеспечивается у заявленной антенны, начиная с электрического размера Н_пмк/λ_max=0,24, у прототипа с электрического размера Н_пмк/λ_max=0,24, следовательно, в заявленном вибраторе достигается снижение электрических размеров более чем на 8%, что указывает на возможность достижения технического результата. Приведенные на фиг.4 результаты измерения ДН также указывают на возможность формирования неискаженной формы ДН.

Claims (4)

1. Диапазонный ультракоротковолновый вибратор, содержащий полый металлический конус (ПМК) высотой Н_пмк с углом при вершине α, установленный вертикально над проводящей поверхностью и обращенный к ней вершиной, дополнительного металлического конуса (ДМК) высотой Н_дмк и с углом при вершине β, установленного в полости ПМК соосно с ним, причем вершина ДМК совпадает с плоскостью раскрыва ПМК, а основание ДМК электрически соединено с внутренней поверхностью ПМК, и коаксиального фидера, центральный проводник которого подключен к вершине ПМК, а его экранная оболочка подключена к проводящей поверхности, отличающийся тем, что дополнительно в полость ПМК соосно с ним и с ДМК установлен полый усеченный металлический конус (ПУМК) высотой, равной высоте ДМК, и с углом при вершине γ, причем плоскость меньшего основания ПУМК совмещена с плоскостью раскрыва ПМК, а большее основание ПУМК конгруэнтно основанию ДКМ, совмещено и электрически соединено с ним.

2. Диапазонный ультракоротковолновый вибратор по п.1, отличающийся тем, что высота Н_пмк ПМК выбрана из условия Н_пмк≥0,2λ_max, где λ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона волн.

3. Диапазонный ультракоротковолновый вибратор по п.1, отличающийся тем, что углы α, β, γ выбраны в интервалах α=45°-55°; β=45°-55°; γ=20°-30°.

4. Диапазонный ультракоротковолновый вибратор по п.1, отличающийся тем, что высоты Н_дмк и Н_пумк выбраны из условия Н_дмк=Н_пумк=(0,4-0,6)Н_пмк.

Images