Многочастотная малогабаритная антенна

(5 ГОСУДАРСТВЕННЫПО ИЗОБРЕТЕНИЯМПРИ ГННТ СССР ОМИТЕТОТКРЫТИЯМ ОПИСАНИЕ ИЭОБРЕТ ИЯ А) 15.01.92. ВюлРа иоаст оном Гриди ности пер 1, внутри котооложена вторая ерхний конец коСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(71) д р ический институтАН УССР(57) Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в ралиотехнических системах декаметрового и метрового диапазонов волнАнтенна годержит М (И = 1,2,3) антенных элементов Ь, расположенныхнад противовесом 5 я И этажей наизолированной внешней поверхвой проводящей трубырой коаксиально расппроводящая труба 2, в торой подвижным дисковым короткозамыкателем 3 соединен с внутреннейповерхностью первой проводящей трубы 1, а нижний конец, установленныйна изоляторе 4, соединен с противовесом 5 через регулируемый реактивный элемент 16, При этом каждый элемент 6 выполнен в виде коаксиальнойлинии, разделенной на п (и = 1,2,3)дискретных расположенных параллельносегментов 13, внешний и внутреннийпроводники 5, 14 которых соединеныс внешним и внутренним проводниками15, 14 соседних сегментов 13 последовательно и перекрестно, причем соседние антенные элементы 6 соединены также последовательно и перекрестно, Внутренний проводник первогосегмента 13 первого элемента 6 соединен через блок 8 согласования скоаксиальной линией 7 питания, а еговнешний проводник - с противовесом5, внутренний проводник 14 последне1705928 го сегмента 11 последнего элемента 6 соединен с первой трубой 1, Общая высота многочастотной малогабаритной антенны менее четвертым минимал ной длины волны рабочего диапазона. Расположение М элементов 6 в 1 й этажей позволяет сФормировать всенаправленную в азимутальной плоскости Изобретение относится к антеннымустройствам и может быть использованов радиотехнических системах декаметрового и метрового диапазонов длинволн там, где требуются антенны малых размеров, в частности в подвижных системах связи.Современные вибраторные антеннышироко используются как в виде самостоятельных элементов, так и в составе антенных решеток. Остро стоитпроблема уменьшения размеров вибраторных антенн, расширения их рабочего частотного диапазона,Известна малогабаритная многочастотная антенна, содержащая п рамоч Оных элементов, установленных симметрицно вокруг оси над противовесом,каждый из которых имеет излуцающийи защищенный специальным защитнымустройством участки, радиочастотнуюлинию от передатчика, подключеннуюэкраном к противовесу, а внутреннимпроводником к одному концу первогоперестраиваемого конденсатора,второй конец соединен с незащищенной40частью первого антенного элемента иодним концом второго перестраиваемого конденсатора, второй конец которого соединен с противовесом, причемкаждая из оставшихся частей элемен 45тов соединена с контактами реле, которые осуществляют последовательнопараллельное соединение элементов, ауправление реле осуществляется блоком управления таким образом, что50эффективнаядлина антенны изменяетсяв зависимости от рабочей частоты передатчика,8 известном устройстве в зависимости от рабочей частоты с помощьюреле осуществляется последовательнопараллельное соединение элементов,что позволяет менять частоту настройки антенны. Однако данное устройство диаграмму направленности,а размещение элементов Ь на изолированной внешней поверхности первой трубы 1 позволяет повысить КПЛ за сцет возбужрения токов не только на внешней поверхности внешних проводников 15 элементов 6, а на всей внешней поверхности первой проводящей трубы 1, 4 ил. не может эФФективно работать одновременно на нескольких цастотах, цто не позволяет использовать его при многочастотном приеме. Кроме того, наличиебольшого числа коммутационных элементов существенно снижает надежность устройства. Все это огганицивает область применения известногоустройства.Известна малогабаритная вибраторная антенна, содержащая размещенныйнад противовесом отрезок проводящейтрубы с установленным в ее полостипоперечным верхним проводящим диском,причем отрезок проводящей трубы снабжен нижним проводящим диском с выполненным в нем симметрицно отверстием,замыкаю,им ее торец, обращенный к противовесу, а между нижним и вернимпроводящими рисками ус гановленыпродольные радиальные перегородки спрорезями, разделяющие полость проводящей трубы на секторы, в каждомиэ которых размещены продольныеизолированные проводники, последовательно соединенные орин с другимперемычками, проходящими сквозьпрорези пророльных перегородок,причем нижний свободный конец одногоиз них пропущен сквозь отверстие внижнем проводящем риске и подключенк центральному проводнику коаксиальной линии питания, а оставшийсясвободный конец замкнут на нижнийпроводящий диск,Известная антенна имеет небольшиегабариты, но обладает малым коэффициентом перекрытия по частоте (К -1,25), что существенно снижает область применения. Известна широкополосная антенна на основе отрезков коаксиальной линии, содержащая расположенный нар противовесом излуцагель из отрезка линии передаци, состоящей из излу 1 УО%28чающего и неизлуцаюшего прояорников,соединяющихся сяоими внешними концами, и удлинительный проворник, подключенный к указанному соединению.Неизлучающий внутренний прояорниксоединен с противовесом, а излучающий наружный - с передатчиком (приемником).В известной антенне шлейф, образованный короткозамкнутым отрезкомлинии передачи, подключается последовательно или параллельно с точкойпитания антенны и пассивными элементами, 1 лейф вносит реактивное сопротивление, противоположное по знакусопротивлению возникающему в антенне при изменении цастоты, таким образом происходит цастичная компенсация реактивности антенны, что расширяет полосы частот ее эффективногоизлучения,Однако изяег,тная антенна является четвертьволновым излучателем, поэтому в рекаметровом риапазоне длин 2волн ее габариты достаточно велики,а коэффициент перекрытия по частотемал, что ограничивает область ее применения,Наиболее близким по технической 3 чсущности к предлагаемому устройствуявляется укороценная антенна с коаксиальными линиями я качестве антенных элементов, которая содержитХ (И = 1,2,3) антенных элементов,выполненных в виде коаксиальных линий длиной е четверть рабочей рлиныволны, разделенных на и (и = 1,2,3)рискретных, расположенных параллельно сегментов, причем внутренний пповодник орного соединен последовательно с внешним проводником соседнегосегмента, а его внешний проводник - свнутренним проводником соседнего, образуя последовательное соединение сег ментов, коаксиальную линию питания,соединенную с согласующим устройством,один выходной контакт которого соединен с противовесом, а вторгй - с внутренним проворииком первого сегментапервого антенного элемента.Известная антенна имеет малые габариты и эффективно излучает на резонансной частоте. Для достиженияэффективного излучения на И частотахпредлагается несколько вариантов логопериодических антенн, каждый элемент которых заменен на известную антенну, Такие логопериодические антенны обларают высокой направленностьюи позволяют уменьшить размер антеннытолько в одном направлении, так какизвестно, что рля обеспечения широкополосности минимальная рлина логопериодической антенны должна быть больше П,6 . Поэтому простая заменамаксэлементов логопериорицеской структурына известные антенны позволяет уменьшить ее габариты в одном направлении.Целью изобретения является Формирование всенаправленной в азимутальной плоскости диаграммы направленномсти при повышении КП/1,Цель достигается тем что я многочастотной малогабаритной антенне, содержащей Н (Х = 1,2,3) расположенных нар противовесом, соединенных последовательно антенных элементов, выполненных в вире коаксиальных линий,разделенных на и п = 1,2,3) дискретных, расположенных параллельносегментов, причем внутренний проводник одного соединен послеровательнос внешним проводником сосернего сегмента, а его внешний проводник - свнутренним проводником соседнего, об"разуя последовательное соединение сег"ментов, коа ксиальную линию питания,соединенную с блоком согласования,орин выходной контакт которого соединен с противовесом, а второй - с внутренним проводником первого сегментапервого антенного элемента, кроме этого антенные элементы располагаются вХ этажей на изолированной внешнейповерхности первой провор,ящей трубывысотой НкЪ ,ч /4 гре Ъ миц - минимальная длина волны рабочего диапазона, внутри которой располагаетсякоаксиально вторая труба, верхнийконец которой соединен порвижнымдисковым короткозамыкателем с внутренней поверхностью первой проводящей трубы, а нижний конец, установленный на изоляторе, соединен спротивовесом через регулируемый ре"активный элемент, причем центральный проводник последнего сегментапослернего этажа соединен с первойпроводящей трубой, Размещение антенных элементов в И этажей при настройке каждого этажа, с учетом взаимного влияния соседних этажей ипроводящей трубы, на свою резонансную частоту позволяет формироватьвсенаправленную в азимутальной плоскости диаграмму направленности.Введение проводящей трубы, обладающей по сравнению с сегментами антенных элементов значительно большим КПЛ так как ее размеры значительно превышают размеры сегментов,в условиях сильной связи трубы с антенными элементами повышает 1(ПД антенны,Отрезок короткозамкнутой линиирлиной 1 с Ъ ц /4 образованный двумя коаксиально расположенными проводящими трубами и подвижным дисковым короткозамыкателем, во всем рабоцм риапазоне частот носит инруктивный характер. Он позволяет совместно с регулируемым реактивным элементом уменьшить величину и изменение реактивного сопротивления антенны, Таким образом, введение короткозамкнутого шлейфа и регулируемого реактивного элемента существенно улучшает согласование антенны с питающимфилером.На фиг. 1 схематически изображена 25предложенная антенна, на фиг,2схема соединений кабельных антенныхсегментов и элементов, на фиг,3электрическая схема двухчастотной, антенны, на фиг. 4 - предложенная антенна выполненная на полосковых линиях.Многочастотная малогабаритная антенна содержит два отрезка проводящей трубы; наружный 1 и внутренний 2,проводящий диск 3, соединяющий внутреннюю поверхность наружной трубы свнешней поверхностью внутренней,изолятор 4, соединяющий нижний конец, внутренней трубы 2 с противовесом 5, Х (М = 112,3) антенных элементов 6, расположенных в и этажейна внешней поверхности наружной трубы 1, коаксиальную линию питания 7,соединенную с блоком согласования 8, 45общая шина 9 которого соединена спротивовесом 5, а потенциальная шина10 - с входом 11 первого антенногоэлемента, выход 12 которого соединенс входом 11 второго антенного элемента, а его выхор, 12 - с входом 11последующего антенного элемента.8 ход 12 последнего антенного элемента соединен с наружной трубой 1.Каждый антенный элемент содержит55и Ь = 123) дискретных, расположенных параллельно сегментов 13,выполненных из отрезков коаксиального кабеля. Начало внутреннего проворника 14 первого сегмента соединено с входом 11 антенного элементаб, а его конец соединен с началомвнешнего проводника 15 второго сегмента. 1(онец внешнего проводника 15первого сегмента соединен с началомвнутреннего проводника 14 второгосегмента . Конец внутреннего проводника 14 второго сегмента соединен сначалом внешнего проводника 15 третьего сегмента, Конец внешнегопроводника 15 второго сегмента соединен с началом внутреннего проворника 14 третьего сегмента и т,д, Конецвнутреннего проводника 14 последнего сегмента соединен с выхором антенного элемента 12, Нижний конецвнутренней трубы 2 соединен с противовесом через регулируемый реактивный элемент 16,Предложенная антенна работает следующим образом,Антенна возбужрается разностьюпотенциалов, созраяаемой генератором на входе 1-го антенного элемента, Каждый антенный элемент 6 прелставляет собой резонансную систему,эквивалентную колебательному контуру, с собственным реактивным сопротивлением Х и активным сопротивлением г, = г,п + г, гре гл - сопротивление тепловых потерь, г -сопротивление излучения.антенногоэлемента, Труба 1 также может бытьпрерставлена в вире эквивалентногоколебательного контура с активнымсопротивлением г = гп + г и реактивным сопротивлением Х, котороерля трубы длиной 1 ./4 носит емкостной характер, Каждый антенныйэлемент 6 настроен с учетом вносимыхсопротивлений соседних элементовна свою резонансную частоту. Первыйсо стороны генератора антенный элемент настроен на верхнюю частотурабочего диапазона, а последний - нанижнюю. Расположение антенных элементов в вертикальной плоскостм значительно ослабляет паразитные связимежру ними. Однако по отношению ктрубе 1, от которой антенные элементы изолированы, они расположеныпараллельно, благодаря чему обеспецивается реактивная связь кажрого антенного элемента с трубой, При чистореактивной связи между колебательными контурами Хактивные составляющие вносимых сопротивлений всег 1705928 1025 Возбумдение антенных элементов производится в следующей последовательности. На верхней частоте рабочего диапазона резонирует первый со стороны генератора антенный элемент, При этом реализуется оптимальная связь первого антенного элемента 6 и трубы 1, а энергия источника распределяется практически поровну между ними. В другие антенные элементы поступает малая 50 55 да положительные, а реактивные составляющие Хви Х в имеют знаки, противоположные знакам реактивных сопротивлений Х= Х + Х и ХХ + Хр вторичного (трубы) и первичного (антенного элемента) контуров соответственно, По мере приближения частоты генератора к резонансной частоте антенного элемента 1 О гвозрастает, стремясь к максимальному значению г вк ас = Х, /г, а У д стремится к нулю. В свою очередь, если частота будет приближаться к резонансной частоте 15 вторичного контура (трубы), будет расти гв, стремясь кв. макСстремиться к нулю. Токи в антенном элементе 6 и в трубе 1 пропорциональны ЭДС генератора, поэтому максимуму тока в антенном элементе Ь будет соответствовать максимум тока в трубе 1. Оптимальное сопротивление связи Хвыбирается из условия, что при резонансе собственное сопротивление антенного элемента равно сопротивлению, комплексно сопряженному с сопротивлением, вносимым из трубы 1 в антен- З 0 ный элемент Ь, При этом квадрат отношения токов в антенном элементе и трубе будет равен г/г, а энергия источника будет поровну распределяться между ними, Поэтому 35 КПД антенны при резонансе и оптимальной связи равно полусумме КПД трубы и антенного элемента.КПД предложенной антенны из-за относительно высоких потерь в ан тенных элементах в основном определяется трубой, которую сравнительно легко реализовать с высоким КРД, Обеспечивается согласование антенны с генератором на ре зонансных частотах каждого антенного элемента.1 часть энергии источника, так какони имеют на этой частоте большоереактивное сопротивление и не согласованы с генератором. При понижениичастоты увеличиеаются собственные емкостные сопротивления трубы и первого антенного элемента и уменьшаютсяиндуктивные сопротивления последующих антенных элементов, При резонансе на второй рабочей частоте реализуется оптимальная связь между трубой и первыми двумя антенными элементами И примерно половина энергииисточника передается трубе 1. Третийи последующие антенные элементы приэтом остаются рассогласованными сгенератором и к ним поступает малаядоля энергии генератора. При дальнейшем понижении частоты продолжают расти собственные емкостные сопротивления трубы и первых антенных элементов, Однако, так как в сильносвязанных резонансных цепях вносимые реактивные сопротивления имеютпротивоположные знаки, это позволяет уменьшить реактивные сопротивления и реализовать оптимальнуюсвязь и на более низких рабочих частотах последующих антенных элементов.Последний антенный элемент нагружен на емкость трубы 1, которая насамой низкой частоте рабочего диапазона выполняет роль М + 1 антенного элемента . Следует отметить, чтокаждый антенный элемент и их совокупность резонируют и на своих болеевысоких гармониках,. В качестве примера конкретной реализации на фиг,3 приведена электрическая схема рвухэлементной антенны.Каждый антенный элемент 6 состоит изтрех сегментов 13. Труба 1 изображена схематически в виде емкостной нагрузки выхода 12 второго элемента 6,Для упрощения на фиг. 3 не показаныцепи сопротивлений связи индуктивного шлейфа и реактивногосопротивлениямежду антенной и противовесом. Привозбуждении входа 11 первого антенного элемента 6 по внутреннему проводнику первого сегмента течет ток,показанный стрелкой, который вызы"вает на внутренней поверхности внешнего проводника коаксиального отрезка кабеля 13 противофазный ток. Таккак внешний проводник н заземлен,то по его внешней поверхности потечет ток того ме направления, что иток, протекающий по внутреннему проводнику, На перекрестном соединении сегментов ток центрального проводника первого сегмента переходит на внешнюю поверхность наружного проворника соседнего сегмента, меняя при этом свою фазу на противоположную, а ток внешней поверхности внешнего проводника первого сегмента переходит на внутренний проводник второго сегмента, также меняя фазу на противоположную, Аналогичная картина наблюдается при перекрестном соединении остальных сегментов. Выходной ток первого антенного элемента возбуждает вхор, 11 второго антенного элемента, Распределение тока во втором антенном элементе аналогично распределению в первом. Труба 1 является емкостной нагрузкой для последнего сегмента второго антенного элемента и,по-существу, третьим односегментным антенным элементом. Совместно с трубой 2 она одновременно является компенсирующим индуктивным шлейфом для всех антенных элементов.Таким образом, на резонансной частоте антенного элемента, определяемой суммарной геометрической рлиной всех его сегментов, вносимыми сопротивлениями соседних антенных элементов, короткозамкнутого шлейфа и реактивности между антенной и противовесом, все токи на внешних (излучающих) поверхностях внешних проводников 15 сегментов 13 синфазны, цто при оптимальной связи обеспечивает эффективность излуценияНа частотах, отличных от резонансных, эффективность излучения антенны резко уменьшается за сцет нарушения оптимальной связи и синфазности токов на поверхностях сегментов ввиду дополнительных фазовых срвигов, обусловленных реактивностями сегментов. Малая связь между антенными элементами обусловлена многоэтажным расположением антенных элементов и разрывом наружного проводника при этажном расположении антенных элементов. Регулируемый реактивный элемент 16, включенный между противовесом и нижним концом трубы 2, позволяет эффективно регулировать входной имперанс антенны, 1 О 15 Следует отметить, что поробно тому, как из рвух несимметричных штыревых антенн может быть образована симметричная антенна на ту же резонансную частоту, из двух одинаковых предложенных антенн при противофазной запитке может быть составлена симметричная многоцастотная малогабаритная антенна.На Фиг,1( схематически изображена многочастотная антенна на полосковых линиях,Многочастотная малогабаритная антенна содержит симметричную полосковую линию, образованную рвумя проводящими наружными обкладками 1 и(внутренним проводником 2 , котораязамкнута на конце короткозамыкателем3 , изолятор , соединяющий нижнийконец линии с противовесом 5, Я(Н = 1,2,3) антенных элементов 6,расположенных в (1 этажей на изолированных внешних поверхностях наружныхобкладок 1, коаксиальную линию питания 7, соединенную с блоком согласования 8, общая шина 9 которого соединена с противовесом 5, а потенциальнаяшина 10 - с входом 11 первого антен ного элемента, выход 12 которого соединен с входом 11 второго антенногоэлемента, а его выход 12 - с входом11 последующего антенного элемента.Выход 12 последнего элемента соединенс короткозамыкателем 3, Начало внутреннего проводника 2 соединено черезрегулируемый реактивный элемент 16 спротивовесом 5.Каждый антенный элемент 6 сорер жит и (и = 1,3,5) дискретных, расположенных параллельно сегментов 13,выполненных в виде несимметричныхполосковых линий, Начало дорожки 1первого сегмента соединено с вхором 45 11 антенного элемента 6 а его конец(соединен с началом подложки 15 второго сегмента. Конец подложки 15первого сегмента соединен с началоМдорожки 1( второго сегмента, конец 50 дорожки 1 второго сегмента соери(нен с началом подлпжки третьего се( -мента, конец порложки 15 второгосегмента соединен с началом дорожки11 третьего сегмента и т,д. Конецдорожки 1 последнего сегмента соРринен с выхором 12 антенного элемента, Сегменты, расположенные на первой наружной обкладке 3 симметричнойлинии, соединены с сегментами, рас 1 У 0 п 2 Ц 14формула изобретения Многочастотная малогабаритна тенна, содержащая М (И = 1,2,3, расположенных над протидовесом, диненных последовательно антенн элементов, выполненных кажлый в коаксиальной линии, разделенной и (и = 1,2,3) дискретных, ра я ан 30соеых видена споло 35 положенными на второй обклалке 3 с помощью внешних перемычек 17,Антенна, реализованная на полосковых линиях, оаботает аналогично5 описанной выше антенне, выполненной на коаксиальных линиях, В ней обкладки 1 выполняют роль трубы а поло- Ф ) сковые линии, образованные дорожка 1ми 1 ч и подложками 15, - роль сег ментов.Техническая эФФективнос ть предложенного устройства по сравнению с прототипом состоит в формировании всенаправленной в азимутальной пло скости диаграммы напраяленного при повышении КПР, Важным преимуществом предложенной антенны по сравнению с прототипом является использование оптимально связанной трубы с антенными элементами, обпадающей высоким коэффициентом полезного лействия, что позволяет использовать предложенную антенну при длине сегментов значительно меньших ллин волны. 5 женных параллельно сегментов, причемвнутренний проводник одного соединенпоследовательно с внешним проводником соседнего сегмента, а его внешний проводник - с внутренним проводником соседнего сегмента, образуяпоследовательное соединение сегментов,коаксиальную линию питания, соединенную с блоком согласования, один выходной контакт которого соединен с противовесом, а второй - с внутренним,проводником первого антенного элемента, о т л и ч а ю щ а я с я тем,что, с целью Формирования всенаправленной в азимутальной плоскостидиаграммы направленности при повышении КПР, антенные элементы расположены в И этажей из изолированнойвнешней поверхности первой проводящей трубы высотой Н ( 0,25 1,цк 1где Ъ к - минимальная длина волнырабочего диапазона, внутри которойкоаксиально расположена вторая проводящая труба, верхний конец которойсоединен подвижным дисковым короткозамыкатегем с внутренней поверхностьюпервой проводящей трубы, а нижнийконец, установленный на изоляторе,соединен с противовесом через регулируемый реактивный элемент, причемвнутренний проводник последнего сегмента последнего антенного элемента соединен с пердой проводящей трубой, 1705928Сос та яи тель Ж,Козырева техоед М.Моргентал. ректор Л. Пилипенк лактор М,11 иткина а оизводственно-издательский комбинат Патент", г.ужгород, ул.Гагарина 1 О 1 Яака 3 19 Э БНИИПИ Гос енного комитета по 13035, Москва, ЖПодписноеобретениям и открытиям при ГКНТ СССРРаущская наб., д. 4/5