Антенна верхнего питания

(5 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССРГОСПАТЕНТ СССР) ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТО МУ СВ ЕЛЬСТВ вертикал вдоль ос риала с и чатом ос подкл юче широкоп ношение личина выбраны ние КПД, ДН в раб(56) Авторское свидетельство СССРМ 1663656, кл. Н 01 0 1/36, 1988,(54) АНТЕННА ВЕРХНЕГО ПИТАНИЯ(57) Использование; широкополосные оитемы радиосвязи для подвижных обьектоСущность изобретения: антенна состоит и Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для работы с широкополосными радиопередающими устройствами, Антенна может найти применение в широкополосных радиопередающих комплексах связи, устанавливаемых на подвижных объектах, поскольку в рабочем диапазоне частот обладает повышенным уровнем коэффициента бегущий волны и улучшенной с точки, зрения условий для дальней связи формой диаграммы направленности с прижатым к земле главным лепестком,Известна вибраторная антенна верхнего питания, представляющая собой верти-. кальный вибратор, состоящий из верхнего и нижнего излучателей, причем нижний излучатель своим нижним основанием имеет электрический контакт с проводящей плоскостью. Антенна возбуждаетсяв центре с помощью линии передачи, размещенной во внутренней полости нижнего излучателя, при этом внутренний проводник линии передачи соединен с верхним излучателем. ьного проводника, размещенного и проводящего цилиндра из матеотерями, установленного на трубновании над экраном, Антенна на к коаксиальному кабелю через олосный согласующий блок, Соотразмеров элементов антенны и вепотерь проводящего цилиндра так, что обеспечивается увеличеулучшение согласования и формы очем диапазоне, 7 ил,Основными достоинствами антенны являются простота и механическая прочность антенны, что связано с отсутствием в ее составе весьма ненадежных опорных изоляторов; большая, чем у штыревых антенн, широкополосность по диаграммам направленности (ДН), Так, у штыревых антенн отрыв главного лепестка ДН от земли наблюдается уже при длине рабочей волны 1=1,6 (/Я=0,625), а у антенны верхнего питания в зависимости от соотношения между длинами плеч при Л,= (0,926-0,97).Однако такая антенна имеет ограниченный рабочий диапазон частот, что обьясняется следующими причинами;1) недостаточная для работы в стандар- .тных диапазонах широкополосность по диаграммам направленности, Так, например, антенна верхнего питания длиной 12 м с соотношением длин плеч около 3:1 имеет оптимальную форму ДН только до частоты 27 МГц и не может быть использована в стандартном коротковолновом диапазоне 1,5 - 30 МГц. Помимо этого на частоте, где электрическая длина верхнего излучателястановится равной 0,5, наблюдается подьемглавного лепестка ДН до угла в 30 - 40 О;2) ярко выраженный резонансный характер частотной характеристики входногоКБВ, поскольку антенна фактически является резонансной;3) наличие встроенной фидерной линии,дополнительно снижающей входной КБВ,Указанные недостатки не позволяютиспольэовать антенну совместно с широкополосными радиопередающими устройствами,Известна антенна верхнего питания, состоящая из верхнего излучателя, выполненного в виде вертикального проводника, инижнего излучателя, выполненного в видетрубчатого основания, электрически соединенного с проводящей плоскостью-горизонтальным экраном. На вертикальномпроводнике соосно с ним размещена коаксиальная ступенчатая структура из цилиндрических проводников, соединенных свертикальным проводником в его нижнейточке, причем число проводников не превышает трех. Во внутренней полости трубчатого основания расположен широкополосныйсогласующий блок, ко входу которого присоединен входной коаксиальный кабель.Основными достоинствами антенны являются расширенный рабочий диапазон частот по диаграммам направленности изначительно более равномерный, чем у вибраторной антенны верхнего питания, и павы шен н ый уровень КБ В, что дости гаетсяоптимальным выбором размеров антенны иее элементов и совместным действием сту пенчатой структуры из цилиндрических проводников и широкополосного согласующегоблока. Такая антенна по техническому решению наиболее близка к заявляемой антенне иможет быть выбрана в качестве антенныпрототипа.Недостатками антенны - прототипа являются следующие:1) недостаточно высокий уровень КБВпри реализации ее в варианте с одним цилиндрическим проводником. Использование трех проводников усложняет антенну,делает ее тяжелой и громоздкой;2) "задирание главного лепестка ДН доугла 30 - 40 и рй электрической длине вертикального проводника (с учетом удлиняющего действия цилиндрических проводников),равной 0,5, что снижает качество связи.Таким образом, антенна-прототип неможет обеспечить:значительное увеличениейКБВ и оптимальную с точки зрения дальнейсвязи с прижатым к земле главным лепестком форму ДН в пределах рабочего диапазона частот, Цель изобретения - увеличение степени входного согласования антенны и улучшение формы ее ДН в пределах рабочего диапазона частот.Цель изобретения достигается тем, что в антенне, содержащей вертикальный проводник и трубчатое основание, изолятор между ними, соосный с вертикальным проводником и внешний по отношению к нему цилиндрический проводник, размещенный во внутренней полости трубчатого основания широкополосный согласующий блок и входной коаксиальный кабель, указанный цилиндрический проводник выполняется из 10 материала с потерями и имеет электрический контакт с вертикальным проводником, например, в его верхней точке. Добротность линии, образованной цилиндрическим проводником с потерями и расположенным Радиус гв.п, вертикального проводника выбирается в пределах от 1/4000 до 1/200 длины антенны 1, радиус гп цилиндрического проводника выбирается в пределах от 1/2000 до 1/100 длины антенны 1; а электрическая длина 1 пэ цилиндрического проводника выбирается из условия: 1 пз = 0,5 К 18,п,э,30 где К - поправочный коэффициент, зависящий от толщины антенны и равный 1,02 - 1,05;18,п,э - электрическая длина вертикального проводника;,35 Вновь введенная совокупность признаков позволяет реализовать следующий прием: использование цилиндрического проводника с потерями позволяет за счет изменения распределения тока вдоль ан 40 тенны сделать электрическую длину вертикального проводника отличной от 0,5, в пределах всего рабочего диапазона частот антенны, а следовательно, позволяет в пределах этого диапазона реализовать ДН опти 45 мальной формы с прижатым к поверхности земли главным лепестком, Кроме того, введение потерь, сопротивление которых является частотнозависимым, позволяет 50 повысить уровень входного КБВ антенны без заметного снижения ее коэффициента полезного действия (КПД), Равномерность частотной характеристики КБВ обеспечивается широкополосным согласующим блоком. 55 Авторам не известны технические решения, в которых используется указанный технический прием. На основании этого авторы считают, что предлагаемое техническое решение обладает существеннымиотличиями,20 внутри него отрезком вертикального проводника выбирается в пределах от 1 до 10.10 15 20 25 30 35 40 45 50 Широкополосный согласующий блок (ШСБ) может быть выполнен в двух вариантахШСБ по вариантувыполнен в виде лестничной электрической цепи 14 (фиг.2), в продольные и поперечные ветви которой включены реактивные двухполюсники 15, составленные из ОС-элементов - индуктивностей и емкостей, На фиг,2 для. примера изображена лестничная цепь пятого порядка, Зажимы 16,17 образуют ход согласующего блока, а 18,19 - его выход,ШСБ по вариантувыполнен в виде лестничной электрической цепи 20 (фиг.З), в продольные ветви которой включены,реактивные двухполюсники 21, представляющие собой либо индуктивности, либо параллельныеС-контуры. В поперечные ветви включены последовательно соединенные выключатели 22 и реактивные двухполюсники 23, составленные изС-элементов -55 На фиг.1 схематично изображена предлагаемая антенна; на фиг,2 - схема широкополосного согласующего блока,вариант; на фиг,З - то же,вариант; на фиг,4 - распределение тока вдоль антенны; на фиг,5 - входное сопротивление отрезков линий из цилиндрических проводников без потерь и с потерями; на фиг.6 - частотные характеристики КБВ и активных составляющих входного сопротивления излучателя без потерь и с потерями; на фиг,7 - частотные характеристики КБВ и КПД антенны без потерь и с потерями.Предлагаемая антенна состоит из вертикального проводника 1 (фиг,1), трубчатого основания 2, изолятора 3 между ними, широкополосного согласующего блока 4, расположенного внутри трубчатого основания, входного коаксиального кабеля 5 и цилиндрического проводника 6, соосного с вертикальным проводником 1 и имеющего с ним электрический контакт, например, в его верхней точке 7, Трубчатое основание 2 установлено на горизонтальном экране 8 и имеет с ним электрический контакт.Вход излучающей части антенны образован точкой 9 и верхней точкой 10 трубчатого основания 2, К входу излучающей части своим выходом 11 через изолятор 3 подключен широкополосный согласующий блок 4, к входу 12 которого подключен входной коаксиальный кабель 5. Кабель 5 может быть выполнен из радиочастотного коаксиального кабеля (как на фиг.1) или образован внутренней поверхностью трубчатого основания 2 и дополнительным проводником, присоединенным к входу 12 согласующего блока,индуктивностей и емкостей. К входным зажимам 24 и 25 цепи 20 подключена своими выходными зажимами 26 и 27 П-образная электрическая цепь 28, в продольную ветвь которой включена переменная индуктивность 29, а в поперечные ветви включены переменные емкости 30,31. Входные зажимы 32,33 П-образной цепи являются входом согласующего блока, а его выходом являются выходные зажимы 34,35 лестничной электрической цепи,Общая длина антеннысоставляет 0,05-0,2 от максимальной рабочей длины волны Лмвкс При этом еслисоставляетоколо 0,2 Л макс, то используется первая реализация ШСБ, если жеменьше 0,2 Ямакс, то используется вторая реализация ШСБ. Минимальная рабочая длина волны антенны Лин составляет не менее 0,8.Соотношение длин вертикального проводника в.п. и трубчатого основания осн лежит в пределах от 4:1 до 3:1, что необходимо для получения оптимальных по форме ДН в максимально широком диапазоне частот.Радиус трубчатого основания госн лежит в пределах от 1/200 до 1/60 от длины антенны, радиус гв.п. вертикального проводника выбирается в пределах от 1/4000 до 1/200 от длины антенны , при этом возможность утоньшения вертикального проводника по сравнению с антенной-прототипом обусловлена введением потерь,Электрическая длина цилиндрического проводника пэ выбирается из условияпэ = 0,5 Кв.п.э,где К - поправочный коэффициент, зависящий от толщины антенны и равный 1,02-1,05.Указанное условие выбора п.э позволяет обеспечить "отсечку" тока на частотах, где электрическая длина вертикального проводника в.п,э становится равной 0,5, и тем самым получить на этих частотах оптимальную форму ДН,Величина потерь выбирается такой, чтобы добротность короткозамкнутой линии 13, образованной цилиндрическим проводником с потерями и соответствующей частью вертикального проводника, лежала в пределах от 1 до 10, За счет этого удаетсясделать электрическую длину вертикального проводника отличной от 0,5 в пределах всего рабочего диапазона частот антенны. Кроме того, поскольку указанная короткозамкнутая линия 13 является резонансной системой, то сопротивление ее потерь частотнозависимо и позволяет повысить КБВ10 15 20 25 30 35 40 50 излучающей части антенны, уменьшив прежде всего спад КБВ на частоте параллельного резонанса антенны.Указанные потери могут быть введены за счет выполнения цилиндрического проводника из материаловс потерями, например, на основе угольных волокнистых материалов (УВМ), Известные УВМ делятся на карбонизированные (температура термообработки 1773-2273 К, содержание углерода 80 - 990) и графитированные (температура термообработки до 3273 К, содержание углерода выше 99), Удельное электрическое сопротивление карбонизированныхУВМ составляет(0,4 - 70) 10 Ом м, а графитированных - (0,003 - 0,6) 10 Ом м, следовательно, карбонизированные относятся к полупроводникам, а графитизированные занимают промежуточное положение между полупроводниками и проводниками. Электропроводность УВМ можно значительно повысить дополнительной металлизацией,В настоящее время серийно выпускаются промышленностью различные УВМ, в том числе такие, как шнур углеродистый УЭШ, тесьма углеродистая УЭТ, угольные нити "Урал-Н", "Урал-ТР". Выпускаются также полуфабрикаты препреги, представляющие собой ленточные УВМ различной ширины, пропитанные неотвержденным эпоксидным связующим длительного хранения, что позволяет упростить технологию создания излучателей с потерями и их элементов. Введение потерь в такие излучатели осуществляют путем наклеивания на поверхйость излучателей лент-препрегов из УВМ с дальнейшей обработкой (обжимка, окраска и т.п.).Необходимая величина потерь и характеристика их частотной зависимости обеспечивается выбором длины и поперечного сечения УВМ (лент, шнуров, нитей).Предлагаемая антенна работает следующим образом.Какуказэно выше, при Ь.п.в= 0,5(например, на частоте 1, фиг.5) наблюдается "задирание" главного лепестка ДН до угла 30-40, Цилиндрический, четвертьволновый на частоте 1; проводник без потерь, используемый в антенне-прототипе, скорректирует форму ДН на этой частоте путем"отсечки" (подавления) тока (кривая 36, фиг.4). Однако за счет размаха положительной ветвисвоего реактивного входного сопротивления (кривая 37, фиг.5) он всегда удлинит вертикальный проводник до электрической длины, равной 0,5 (например, начастоте 11), и "задирание" ДН будет происходить уже на этой частоте,При введении потерь в цилиндрический проводник с электрической длиной 1 п.э = 0,5 Кв.п.в входное сопротивление вх короткозамкнутого отрезка линии 13 (фиг.1) имеет вид, изображенный на фиг,5 (кривая 38 - активная составляющая Я вх, кривая 39 - реактивная составляющая Хвх входного сопротивления 2 вх = Я вх+)Хвх), Если величина потерь выбирается такой, что добротность отрезка линии 13 лежит в пределах от 1 до 10, то на частоте 10 эа счет всплеска Явх также будет осуществляться "подавление" тока (кривая 36, фиг,4) и коррекция формы ДН до оптимальной, а за счет уменьшенного размаха Хвх (кривая 39, фиг,5) на частоте 11 и на других частотах рабочего диапазона уменьшение вертикального проводника до электрической длины, равной 0,5, достигаться не будет. Следовательно, ДН антенны будет иметь оптимальную форму во всем рабочем диапазоне частот, ШСБ, входящий в состав антенны, в диапаэоне длин волн от 5до Ямим обеспечивает на своем входе характеристику КБВ, обладающую достаточной равномерностью и повышенным уровнем. Степень равномерности и величина уровня зависят от наличия на характеристике КБВ излучающей части антенны глубоких провалбв. При вьполнении цилиндрического проводника без потерь такой провал характеристик КБВ(кривая 40, фиг.6) имеет место на частоте параллельного резонанса барам за счет значительной величины активной составляющей входного сопротивления (кривая 41, фиг.6),При введении потерь в цилиндрический проводник величина резонансного сопротивления уменьшается (кривая 42, фиг.6) и, следовательно, уменьшается глубина провала характеристики КБВ (кривая 43, фиг,6), В связис этим характеристика входного КБВ антенны с потерями будет иметь большие равномерность и уровень (кривая 44, фиг,7), чем в случае антенны без потерь в цилиндрическом проводнике (кривая 45, фиг,7),Наличие чэстотнозависимых потерь позволяет улучшить КБВ и форму ДН антенны без заметного ухудшения ее КПД. На фиг.7 изображена частотная характеристика КПД (кривая 46), имеющая минимум не хуже 0,6 - 0,65 на частоте "подавления" тока и сохраняющая высокий уровень на остальных частотах диапазона,Широкополосный согласующий блок, используемый в предлагаемой антенне, аналогичен по схеме и функциям блоку, используемому в антенне-прототипе, Если длина антеннысоставляет около 0,2Ачакс, то используется первая реализация широкополосного согласующего блока, представляющая собой лестничную электрическую цепь 14 (фиг.2), в ветви которой включены реактивные двухполюсники 15. Методы синтеза таких цепей изложены в общедоступной литературе и в большинстве своем основываются на оптимизации характеристик этих цепей с помощью ЭВМ. С помощью такого ШСБ можно значительно уменьшить неравномерность кривой 43 (фиг.6) и поднять ее уровень. Полученная частотная характеристика КБВ антенны будет иметь П-образный вид(кривая 44, фиг,7).Если длина антенны меньше 0,2 Аакс (от 0,05 до 0,2 Лакс), то используется вторая реализация ШСБ. Это устройство в диапазоне длин волн от Аакс до 5Осуществляет резонансное согласование антенны, а в диапазоне от 5до Амин осуществляет широкополосное согласование (как и ШСБ по первой реализации). Кроме того, в диапазоне от 5 до Ямин осуществляется дополнительная (наряду с фильтрами передатчика) фильтрация гармоник излучаемого сигнала,В диапазоне от 5до Ямим выключателя 22 в поперечных ветвях лестничной электрической цепи 20 ШСБ замкнуты и согласование осуществляется этой лестничной цепью, Принцип действия и методы синтеза этой цепи те же, что и у ШСБ, па первой реализации, однако в продольных ветвях лестничной цепи стоят только индуктивности и (или) параллельныеС-контуры (двухполюсники 21), В этом же диапазоне на базе П-образной электрической цепи 28, входящей в состав ШСБ, реализуется набор октавных фильтров гармоник. Подробно такие фильтры и методы их синтеза описаны в общедоступной литературе (Лондон С.Е. Широкополосные радиопередающие устройства, - М,: Энергия, 1970).В диапазоне длин волн от Яакс до 5выключатели 22 в поперечных ветвях лестничной электрической цепи 20 разомкнуты и эта цепь представляет собой последовательную ветвь с индуктивным сопротивлением, частично компенсирующим емкостную реактивную составляющую входного сопротивления. излучающей части антенны. Основное же резонансное согласование осуществляется П-образной электрической цепью 28 и характеристики КБВ антенны имеют вид кривых 47 (фиг.7),Совместное использование цилиндрического проводника с потерями заданной величины и широкополосного согласующего блока, выбор соответствующим образом размеров элементов антенны позволяютдостичь цели изобретения.5 Формула изобретенияАнтенна верхнего питания, содержащая вертикальный проводник, закрепленный посредством изолятора на трубчатом 10 основании, установленном на горизонтальном экране, проводящий цилиндр, размещенный коаксиально с вертикальным проводником, коаксиальный кабель и расположенный внутри трубчатого основания 15 широкополосный согласующий блок, выходкоторого соединен с вертикальным проводником и верхним торцОм трубчатого основания, а вход - с коаксиальным кабелем, при этом общая длина антенныи длины верти кального проводника в,п, и трубчатого сснования осн выбраны из соотношений:= (0,05 - 0,2) Ямакс ,25 Яин 0,8 -:в,п./осн = 3 - 4,где Лакс, Амин - максимальная.и минималь ная длины волны рабочего диапазона,отличающаяся тем, что, с целью улучшения согласования и повыщения КПД, проводящий цилиндр выполнен из материала с по-терями и гальванически соединен с 35 вертикальным проводником, при этом добротность короткозамкнутой коаксиальной линии, образованной проводящим цилиндром и расположенным вдоль его оси отрезком вертикального проводника, составляет 40 1-10, а размеры вертикального проводникаи проводящего цилиндра выбраны из соотношений;гв.п, = (0,00025 - 0,005) 1;45гп = (0,0005 - 0,01) ;п.э. = 0,5 Кв.п.э,50 где гв.пгп - радиусы вертикального проводника и проводящего цилиндра соответственно:п.э. - электрическая длина проводящегоцилиндра;в,п.э - электрическая длина вертикального проводника;К = 1,02 - 1,05 - поправочный коэффициент.1786565 Составитель Б,БеклешТехред М,Моргентал Корректор М.Петрова акто зводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина; 101 аз 252 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5