вертикальный коаксиальный вибратор

Формула изобретения

1. Вертикальный коаксиальный вибратор, содержащий два металлических цилиндра, установленных соосно с диэлектрическим зазором между их примыкающими друг к другу торцами и электрически связанных верхними торцами с коаксиально размещенными в их внутренних полостях металлическим стержнем, и коаксиальный фидер, экранная оболочка которого электрически связана с металлическим стержнем, отличающийся тем, что дополнительно во внутренней полости каждого металлического цилиндра установлены короткозамыкающие перемычки, кроме того, в полости верхнего металлического цилиндра размещен вертикальный отрезок двухпроводной линии, проводники которой подключены у нижнего конца, соответственно, к экранной оболочке и центральному проводнику коаксиального фидера, а у верхнего конца к металлическому стержню и через отверстие в металлическом цилиндре к его внешней поверхности.

2. Вибратор по п. 1, отличающийся тем, что высота каждого металлического цилиндра выбрана в пределах (0,62-0,63), где - рабочая длина волны, короткозамыкающие перемычки в нижнем и верхнем металлических цилиндрах установлены на расстоянии (0,24-0,26) от их нижних торцов, а длина вертикального отрезка двухпроводной линии выбрана в пределах (0,16-0,18), причем ее нижний конец размещен в диэлектрическом зазоре между примыкающими торцами металлических цилиндров.

3. Вибратор по пп. 1 и/или 2, отличающийся тем, что короткозамыкающие перемычки установлены с возможностью их перемещения.

4. Вибратор по пп. 1 и/или 2, 3, отличающийся тем, что вертикальный отрезок двухпроводной линии выполнен в виде отрезка коаксиального фидера.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенной технике, в частности, заявляемый коаксиальный вертикальный вибратор может использоваться в системах связи с подвижными неориентированными в азимутальной плоскости корреспондентами.

Известны ненаправленные приемо-передающие антенны (например, Гвоздев И. Н. и др. Характеристики антенн радиосистем связи. Л. ВАС, с. 185-191). Известные антенны представляют собой различные конструкции несимметричных вибраторов с противовесами, устанавливаемые на мачтах. Они имеют ненаправленные характеристики излучения (приема) в азимутальной плоскости, что обеспечивает возможность их использования в системах подвижной связи с неориентированными в пространстве корреспондентами.

Однако известные аналоги имеют низкий коэффициент усиления (КУ), определяемый, как известно, произведением коэффициента направленного действия (КНД) на КПД.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному устройству является вертикальный коаксиальный вибратор, описанный в книге: Вершков М.В. Миротворский О.Б. Судовые антенны. Л. Судостроение, 1990, с. 191, рис. 6.3б.

Вертикальный коаксиальный вибратор прототип состоит из двух металлических цилиндров, установленных соосно с диэлектрическим зазором между их примыкающими друг к другу торцами. Коаксиально во внутренней полости металлических цилиндров размещен металлический стержень. Верхние торцы металлических цилиндров электрически соединены с металлическим стержнем. Коаксиальный фидер подключен экранной оболочкой к верхнему торцу нижнего металлического цилиндра, а центральным проводником к нижнему торцу верхнего металлического цилиндра. В такой антенне путем подбора соотношений размеров элементов ее конструкции обеспечивается расширение диапазона рабочих частот по согласованию. Отсутствие полностью изолированных элементов конструкции делает антенну грозозащищенной.

Однако антенна прототип имеет недостаток: низкий КУ. Это объясняется тем, что высокоподнятый полуволновый симметричный вибратор, каким по сути является прототип, имеет КНД не более 1,64 (в условиях свободного пространства). Низкое значение КНД обусловлено с одной стороны требованием к такому классу антенн ненаправленного излучения в азимутальной плоскости, с другой необходимостью согласования с коаксиальным кабелем, имеющим относительно низкое значение волнового сопротивления _ф 50 Ом или 75 Ом. Последнее возможно при длине металлических цилиндров порядка четверти рабочей длины волны

Известно, что КНД можно увеличить за счет увеличения длины металлических цилиндров. Максимальная величина КНД для такого класса вибраторов реализуется при высоте плеч вибратор порядка 0,63 l (см. книгу: Вершков М.В. Миротворский О.Б. Судовые антенны. Л. Судостроение, 1990, с. 62).

Однако при этом нарушается согласование и, как следствие, резко снижается КПД антенны, а, следовательно, и ее КУ.

Целью изобретения является разработка вертикального коаксиального вибратора с ненаправленным излучением в азимутальной плоскости, обладающего более высоким КУ, при одновременном сохранении качества согласования.

Поставленная цель достигается тем, что в известном вертикальном коаксиальном вибраторе, содержащем два металлических цилиндра, установленных соосно с диэлектрическим зазором между их примыкающими друг к другу торцами и электрически связанных верхними торцам с коаксиально размещенным в их внутренних полостях металлическим стержнем, и коаксиальный фидер, экранная оболочка которого электрически связана с металлическим стержнем, дополнительно во внутренней полости каждого металлического цилиндра установлены короткозамыкающие (к. з.) перемычки. Кроме того, в полости верхнего металлического цилиндра размещен вертикальный отрезок двухпроводной линии, проводники которой подключены у нижнего конца соответственно к экранной оболочке и центральному проводнику коаксиального фидера, а у верхнего конца - к металлическому стержню, и через отверстие в металлическом цилиндре к его внешней поверхности.

Высота каждого металлического цилиндра выбрана равной (0,62-0,63) l где l рабочая длина волны. К.з. перемычки в нижнем и верхнем металлических цилиндрах установлены на расстоянии (0,24-0,26) l от их нижних торцов. Длина вертикального отрезка двухпроводной линии выбрана в пределах (0,16-0,18) l Нижний конец отрезка двухпроводной линии размещен в диэлектрическом зазоре между примыкающими торцами металлических цилиндров.

К. з. перемычки могут быть выполнены с возможностью их перемещения вдоль оси цилиндра.

В частном случае, вертикальный отрезок двухпроводной линии может быть выполнен в виде отрезка коаксиального кабеля.

Благодаря перечисленной совокупности существенных признаков достигается максимизация КНД выбором соответствующей длины металлических цилиндров и одновременно максимизация КПД за счет согласования низкооного волнового сопротивления фидера через трансформирующий отрезок двухпроводной линии.

Этим обеспечивается при ненаправленном излучении в азимутальной плоскости и сохранении высокого уровня согласования максимально достижимый для данного класса антенн КУ.

На фиг. 1 представлена общая схема антенны; на фиг. 2 эквивалентная схема антенны; на фиг. 3, 4 результаты экспериментальных измерений.

Вертикальный коаксиальный вибратор, показанный на фиг. 1, состоит из двух металлических цилиндров 1, длиной l₁ каждый. Металлические цилиндры 1 установлены соосно с диэлектрическим зазором D между их примыкающими торцами. Во внутренней полости металлических цилиндров 1 коаксиально установлен металлический стержень 2. В частном случае металлический стержень может быть выполнен в виде трубки с наружным диаметром в поперечном сечении d. Металлические цилиндры также могут быть реализованы в форме круглых цилиндров, с внешним диаметром поперечного сечения D₁ и внутренним D₂.

Верхние торцы каждого из металлических цилиндров 1 электрически связаны (точки "a") с металлическим стержнем 2. В полости верхнего металлического цилиндра размещен вертикальный отрезок двухпроводной линии 3 длиной l₂. Отрезок двухпроводной линии 3 может быть реализован в виде микрополосковой линии, в форме коаксиальной линии и т.п. На фиг. 1 он показан в виде отрезка коаксиальной линии, размещенной во внутренней полости металлического стержня 2. Нижний конец отрезка двухпроводной линии 3 размещен в диэлектрическом зазоре у нижней кромки верхнего металлического цилиндра 1.

Коаксиальный фидер 4 подключен экранной оболочкой к металлическому стержню 2 и к первому проводнику двухпроводной линии (точка "б"). Центральный проводник коаксиального фидера 4 подключен (в точке "б"") к второму проводнику отрезка двухпроводной линии 3. У верхнего конца отрезка двухпроводной линии 3 его первый проводник подключен к металлическому стержню 2 (в точке "д"), а второй с помощью отрезка провода 5 через отверстие в металлическом цилиндре 1 к его внешней поверхности (точка "д""). Во внутренней полости каждого металлического цилиндра на расстоянии l₃ от их нижних торцов установлены к.з. перемычки 6, электрически связывающие в месте их установки металлический стержень 2 и внутреннюю поверхность соответствующего металлического цилиндра 1. Для обеспечения подстройки антенны к.з. перемычки 6 могут быть установлены с возможностью их перемещения вдоль вертикальной оси вибратора.

Заявленная антенна работает следующим образом. Из конструкции антенны следует, что к ее точках д-д" подключены одновременно: к.з. шлейф с волновым сопротивлением r_ш длиной l₄ и трансформирующая линия длиной l₂ с волновым сопротивлением _т К.з. шлейф и трансформирующая линия образованы внутренней поверхностью металлического цилиндра 1 и внешней поверхностью металлического стержня 2. В свою очередь трансформирующая линия в точках с-с нагружена на входное сопротивление Z_в симметричного вибратора, плечами которого являются металлические цилиндры 1. Общее сопротивление, подключенное к точкам д-д", через отрезок двухпроводной линии с волновым сопротивлением _л длиной l₂ подключено к фидеру 4 с волновым сопротивлением _в в точках б-б". Следовательно, при _{л ф} отрезок линии 3 также выполняет роль дополнительного трансформатора. К.з. линия длиной l₃ в нижнем металлическом цилиндре выполняет роль запирающего цилиндра, предотвращающего затекание ВЧ токов на металлическую мачту. С учетом изложенного эквивалентная схема заявляемой антенны показана на фиг. 2, из которой следует, что сопротивление в точках подключения фидера (точки б-б") может быть вычислено по формуле:



где общее сопротивление в точках д-д", обусловлено параллельно включенными сопротивлениями к. з. линии Z_кз и сопротивлением Z_дд на выходе трансформирующей линии, нагруженной на сопротивление Z_в, т.е.

В формулах (1), (3) = +i постоянная распространения электромагнитных колебаний вдоль соответствующей линии; a постоянная затухания; b = 2/ - фазовая постоянная.

Сопротивление Z_в определяется по известным формулам для симметричного вибратора, см. например, Вершков М.В. Миротворский О.Б. Судовые антенны. Л. Судостроение, 1990, с. 58, формула 2.96.

Из приведенных соотношений очевидно, что в заявленной антенне оказывается возможным изменение в широких пределах ее входного сопротивления путем выбора соответствующего соотношения элементов ее конструкции: D₂, d, l₄, l₂, l₃. Причем при определенных значениях D₂ и d выбором длины отрезка двухпроводной линии l₂ и ее волнового сопротивления _л а также выбором положения к. з. перемычки. т.е. величины l₄, достигается полное согласование антенны с фидером. Этим обеспечивается максимизация КПД. С другой стороны, выбором длин металлических цилиндров в пределах l₁ (0,62-0,63) достигается максимизация КНД вибратора. Следовательно, наивысшее значение (в условиях ненаправленного излучения в азимутальной плоскости) приобретает и величина КУ вибратора.

Правомерность теоретических рассуждений и обоснование наилучших соотношений элементов конструкции заявляемой антенны выполнены в ходе экспериментальных исследований опытного образца, предназначенного для работы на частоте f 27 МГц, что соответствует рабочей длине волны l 11,1 м.

Опытный образец имел следующие размеры: d 5 мм; D₂ 12 мм, D₁ 14 мм; l₁ 6,88 м; l₃ 2,77 м; l₂ 1,89; l₄ 0,88 м, волновое сопротивление фидера r_ф 50 Ом.

Результаты измерений КБВ и диаграммы направленности (ДН) показаны на фиг. 3, 4 (сплошная линия заявленное устройство, пунктир прототип).

Полученные результаты показывают, что при практически равных условиях согласования (т.е. и равных КПД) в заявленном устройстве реализуется предельно узкая в плотности "E" ДН для данного класса излучателей с КНД 3,3. Следовательно, обеспечивается и максимально возможное значение КУ. Полагая КПД 0,9, имеем в заявленном устройстве КУ 0,93,3 3. Для прототипа КУ 0,91,64 1,5.

Одновременно были определены соотношения элементов конструкции заявленной антенны, при которых возможна реализация поставленной цели, а именно: l₁ (0,62-0,63) l₂ (0,16-0,18) l l₃ (0,24-0,26) l Средние значения указанных интервалов являются оптимальными.

Другие габаритные размеры вибраторы: D₁, D₂, d определяют преимущественно из эксплуатационных соображений (масса, механическая прочность и т.п.) и одновременно исходя из возможности достижения требуемых значений r_ш, _тпри которых обеспечивается необходимое качество согласования (формулы 4). Для используемых стандартных фидеров с волновым сопротивлением 50 Ом или 75 Ом целесообразно выбирать: D₂/d (2-3); D₁/D₂ (1,1-1,2); D₁/l₁ (0,02-0,03). Величина зазора выбирается в пределах (0,3-0,4)D₁, чем исключается шунтирующее действие торцевой емкости.

Использование заявленного устройства позволит повысить надежность и энергетику канала радиосвязи с неориентированным по азимуту корреспондентом, например, в системах подвижной связи.