RU2247449C2 - Combined antenna - Google Patents

Abstract

FIELD: radio engineering.

SUBSTANCE: proposed antenna has two oscillating systems where concentrations of different kinds of energy (electrical and magnetic ones) are combined or brought together as close as possible. Vertical biconical member used as main oscillating system has its cones made in the form of arrays of thin rods of approximately quarter-wavelength. Magnetic field with azimuthal lines of force is concentrated about power conductor in gap between slightly separated cone vortices. Meridian electric field built up by varying this field is unidirectional with meridian arcs of additional oscillating system which is, essentially, electric dipole whose axis is aligned with that of biconical member. Lower ends of arcs are joined with bottom vortex of cone (grounded) and upper ones run between top cone rods and are joined into node disposed above its vortex on symmetry axis. Upper end of additional electric dipole terminates in short rod directed upward from node along axis. Main and additional electric radiating dipoles are tuned to approximately same resonant frequency and coupling between them chosen to exceed critical value affords double-cavity (W-shaped) curve of standing wave ratio as function of frequency. Double-frequency antenna can be built with dipole-to-dipole coupling greater than critical value.

EFFECT: essentially enlarged frequency band.

1 cl, 2 dwg

Description

Предложение относится к радиотехнике, к антеннам, состоящим из относительно тонких проводников длиной около четверти волны.The proposal relates to radio engineering, to antennas consisting of relatively thin conductors with a length of about a quarter wave.

Известна антенна "Граунд-плейн" с радиальными проводниками [1], содержащая изолированный металлический стержень, расположенный на оси симметрии, к которому присоединяется центральный проводник коаксиального кабеля. Внешний проводник кабеля присоединяется к нескольким стержням, равномерно расположенным в горизонтальной плоскости или наклоненным вниз.Known antenna "Ground Plain" with radial conductors [1], containing an insulated metal rod located on the axis of symmetry, to which is attached the Central conductor of the coaxial cable. The outer conductor of the cable is connected to several rods uniformly located in the horizontal plane or tilted down.

Один из ее недостатков состоит в узкополосности, обусловленной малым диаметром изолированного стержня и V-образной частотной характеристикой коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН).One of its drawbacks is the narrow band due to the small diameter of the insulated rod and the V-shaped frequency characteristic of the standing wave voltage coefficient (VSWR).

Для расширения полосы частот применяются объемные антенны: биконические вибраторы с конусами из сплошного металлического листа или в виде конических решеток, образованных тонкими коническими проводниками [2, с.111]. В антенне "Граунд-плейн", идя по этому пути, т.е. заменяя один изолированный стержень на несколько, можно получить некоторое увеличение широкополосности, но вследствие V-образной частотной характеристики КСВН оно получается не очень значительным.To expand the frequency band, volumetric antennas are used: biconical vibrators with cones from a solid metal sheet or in the form of conical arrays formed by thin conical conductors [2, p. 111]. In the Ground Plane antenna, walking along this path, i.e. replacing one insulated rod with several, you can get a slight increase in broadband, but due to the V-shaped frequency response of the VSWR, it turns out to be not very significant.

Для получения двухвпадинной, W-образной, частотной характеристики КСВН, существенно расширяющей полосу частот, предлагались антенны с резонансным возбудителем [3, 4, 5]. Это малогабаритные антенны резонаторного типа. В полость антенного резонатора помещается возбудитель с той же резонансной частотой, что и у антенного резонатора. Сам возбудитель практически не излучает вследствие малого размера и размещения внутри антенного резонатора, но через него из кабеля передается высокочастотная энергия в антенный резонатор, который и излучает ее. При связи между эквивалентными колебательными контурами немного больше критической получается двухвпадинная частотная характеристика КСВН.To obtain a two-depressed, W-shaped, frequency characteristic of the VSWR, significantly expanding the frequency band, antennas with a resonant exciter were proposed [3, 4, 5]. These are small resonator type antennas. A pathogen is placed in the cavity of the antenna cavity with the same resonant frequency as that of the antenna cavity. The pathogen itself practically does not radiate due to the small size and placement inside the antenna resonator, but through it high-frequency energy is transmitted from the cable to the antenna resonator, which radiates it. When the connection between equivalent oscillatory circuits is slightly more critical, a two-drop frequency characteristic of the VSWR is obtained.

Ввести резонансный возбудитель в антенну "Граунд-плейн" с несколькими изолированными стержнями затруднительно, поскольку она не имеет резонаторной полости. Сравнительно недавно появилась еще одна возможность расширения полосы частот. Две колебательные системы, обе эффективно излучающие, располагаются друг относительно друга так, чтобы места сосредоточения магнитной энергии на первой системе находились рядом с местами сосредоточения электрической энергии на второй. Это облегчает (ускоряет) обмен видами энергии и приводит к увеличению широкополосности таких комбинированных антенн [6, 7]. При связи больше критической между колебательными системами типа двух колебательных контуров получается двухвпадинная (W-образная) кривая зависимости КСВН от частоты.It is difficult to introduce a resonant pathogen into the Ground Plane antenna with several insulated rods, since it does not have a cavity. More recently, there was another opportunity to expand the frequency band. Two oscillatory systems, both efficiently emitting, are located relative to each other so that the places of concentration of magnetic energy on the first system are near the places of concentration of electric energy on the second. This facilitates (accelerates) the exchange of types of energy and leads to an increase in the broadband of such combined antennas [6, 7]. When the connection is more than critical between oscillatory systems of the type of two oscillatory circuits, a two-depression (W-shaped) curve of the VSWR frequency dependence is obtained.

Вероятно, первая комбинированная антенна с двухвпадинной кривой КСВН представляла собой несимметричный вертикальный петлевой вибратор, у которой кроме "заземляющих" стержней, присоединенных к наружному проводнику кабеля, присоединены к центральному проводнику кабеля еще дополнительные укороченные стержни [8]. Но в то время не удалось получить примерно одинаковых глубин впадин в кривой КСВН и круговой симметрии диаграммы направленности.Probably, the first combined antenna with a two-valued VSWR curve was an asymmetric vertical loop vibrator, in which, in addition to the “grounding” rods attached to the outer conductor of the cable, additional shortened rods are attached to the central conductor of the cable [8]. But at that time it was not possible to obtain approximately the same depths of the troughs in the VSWR curve and the circular symmetry of the radiation pattern.

Добавочная колебательная система к антенне "Граунд-плейн" с несколькими изолированными стержнями не должна искажать примерно круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости, а для этого ее ось симметрии должна совпадать с осью антенны. Поскольку у основной колебательной системы магнитное поле в виде азимутальных кольцевых магнитных линий сосредоточено в области между вершинами конусов, то здесь же необходимо расположить добавочную колебательную систему типа электрического вибратора. Магнитное поле, изменяясь, создает меридиональное электрическое поле, что и подсказывает форму фрагментов добавочного электрического вибратора - проволочные меридианальные полуокружности, дуги. Геометрический центр добавочного вибратора должен приблизительно совпадать с центром основного вибратора.An additional oscillating system to the Ground Plane antenna with several insulated rods should not distort approximately a circular radiation pattern in the horizontal plane, and for this its axis of symmetry should coincide with the axis of the antenna. Since the main oscillatory system has a magnetic field in the form of azimuthal circular magnetic lines concentrated in the region between the vertices of the cones, here it is necessary to place an additional oscillatory system such as an electric vibrator. The magnetic field, changing, creates a meridional electric field, which suggests the shape of the fragments of the additional electric vibrator - wire meridian semicircles, arcs. The geometric center of the secondary vibrator should approximately coincide with the center of the main vibrator.

Резонансная частота добавочного электрического вибратора должна быть близкой к довольно низкой резонансной частоте антенны. При малых габаритах дуг этого можно добиться соединением нижних концов дуг с вершиной нижнего конуса ("заземленные" стержни), т.е. добавочный электрический вибратор получается несимметричным, "заземленным". При свободных верхних концах дуг и малых их габаритах резонансная частота все же не получается достаточно низкой. Для дальнейшего ее понижения верхние концы дуг объединяются в узел, расположенный над вершиной верхнего конуса (изолированные стержни). К узлу верхних концов дуг добавляется еще короткий стержень, направленный вверх по оси антенны.The resonant frequency of the auxiliary electric vibrator should be close to the rather low resonant frequency of the antenna. With small dimensions of the arcs, this can be achieved by connecting the lower ends of the arcs with the top of the lower cone (“grounded” rods), i.e. the additional electric vibrator turns out asymmetrical, "grounded". With the free upper ends of the arcs and their small dimensions, the resonant frequency still does not work out sufficiently low. To further lower it, the upper ends of the arcs are combined into a node located above the top of the upper cone (isolated rods). An additional short rod is added to the node of the upper ends of the arcs, directed upward along the axis of the antenna.

Вершины конусов несколько разнесены и соединены друг с другом проводником, имеющим в нижней части разрыв для питания антенны. Удлинение верхнего плеча основного вибратора за счет этого проводника компенсируется укорочением стержней верхнего конуса по отношению к нижнему.The tops of the cones are somewhat spaced and connected to each other by a conductor having a gap in the lower part to power the antenna. The lengthening of the upper arm of the main vibrator due to this conductor is compensated by the shortening of the rods of the upper cone relative to the lower.

При реализации антенны было выбрано три нижних стержня ("заземление"), три верхних стержня, изолированных от нижних, совпадающих по азимутальному направлению с нижними стержнями, и три дуги, смещенные относительно стержней на 60°. Азимутальный интервал между стержнями 120°, наклон нижних стержней - 45° относительно направления "вниз", а верхних - 45° относительно направления "вверх". Диаметры стержней (верхних и нижних) - 4 мм, диаметр проводников дуг - 2 мм, длина верхних стержней - 340 мм, нижних - 510 мм, радиус дуг 105 мм, диаметр проводника, соединяющего вершины - 12 мм. Узел верхних концов дуг расположен выше вершины верхнего конуса на 65 мм, длина короткого стержня - 45 мм. Первоначально эта разность высот (65 мм) была больше, а затем при регулировке уменьшена до 65 мм путем деформации, сжатия дуг сверху вниз для увеличения емкостной связи между вершиной верхнего конуса и узлом верхних концов дуг.During the implementation of the antenna, three lower rods ("grounding"), three upper rods isolated from the lower ones, coinciding in the azimuthal direction with the lower rods, and three arcs offset by 60 ° relative to the rods were chosen. The azimuthal interval between the rods is 120 °, the inclination of the lower rods is 45 ° relative to the "down" direction, and the upper ones are 45 ° relative to the "up" direction. The diameters of the rods (upper and lower) are 4 mm, the diameter of the conductors of the arcs is 2 mm, the length of the upper rods is 340 mm, the lower are 510 mm, the radius of the arcs is 105 mm, and the diameter of the conductor connecting the vertices is 12 mm. The node of the upper ends of the arcs is located above the top of the upper cone by 65 mm, the length of the short rod is 45 mm. Initially, this height difference (65 mm) was larger, and then when adjusting it was reduced to 65 mm by deformation, compression of the arcs from top to bottom to increase the capacitive coupling between the top of the upper cone and the node of the upper ends of the arcs.

Экспериментально установлено, что без разнесения вершин конусов по вертикали хороших характеристик не получается. Скорее всего, роль проводника, соединяющего вершины конусов состоит в создании необходимой концентрации вокруг него магнитного поля.It was experimentally established that without spacing the vertices of the cones vertically, good characteristics are not obtained. Most likely, the role of the conductor connecting the vertices of the cones is to create the necessary concentration of the magnetic field around it.

Диаметры проводников стержней и дуг выбраны минимально возможными по критерию механической прочности конструкции, поскольку широкополосность достигается главным образом за счет получения двухвпадинной (W-образной) кривой частотной характеристики КСВН, а не за счет больших диаметров проводников и увеличения массы метала.The diameters of the conductors of the rods and arcs are selected to be the minimum possible according to the criterion of the mechanical strength of the structure, since broadband is achieved mainly by obtaining a two-dip (W-shaped) curve of the frequency characteristic of the VSWR, and not due to the large diameters of the conductors and an increase in the mass of metal.

Устройство антенны показано на фиг.1, где обозначено: 1 - нижние (заземленные) стержни, 2 - верхние изолированные стержни, 3 - проволочные дуги, 4 - короткий стержень, 5 - проводник между вершинами биконусов с точкой питания. Антенна работает в диапазоне 120-197 МГц. Двухвпадинная (W-образная) кривая частотной зависимости КСВН показана на фиг. 2, КСВН <2 в каоксиальном кабеле с волновым сопротивлением 50 Ом. Коэффициент усиления плюс 1-2 Дб. Диаграмма направленности в вертикальной плоскости близка к диаграмме короткого симметричного вибратора, максимум направлен перпендикулярно оси антенны, неравномерность диаграммы в горизонтальной плоскости 1 Дб.The antenna device is shown in figure 1, where it is indicated: 1 - lower (grounded) rods, 2 - upper insulated rods, 3 - wire arcs, 4 - short rod, 5 - conductor between the peaks of the bicones with a power point. The antenna operates in the range of 120-197 MHz. A bipartite (W-shaped) waveform of the VSWR frequency dependence is shown in FIG. 2, VSWR <2 in a kaoxial cable with a wave impedance of 50 Ohms. Gain plus 1-2 dB. The directivity pattern in the vertical plane is close to the diagram of a short symmetric vibrator, the maximum is directed perpendicular to the axis of the antenna, and the pattern unevenness in the horizontal plane is 1 dB.

Путем изготовления и проведения измерений нескольких макетов антенны установлена хорошая повторяемость ее параметров.By manufacturing and measuring several antenna models, good repeatability of its parameters was established.

При связи между вибраторами больше критической возможно построение двухчастотной антенны, например, для двухчастотной радиотелефонной сотовой связи на частотах 900 МГц и 1800 МГц.When the communication between the vibrators is more critical, it is possible to build a dual-frequency antenna, for example, for dual-frequency radiotelephone cellular communications at frequencies of 900 MHz and 1800 MHz.

ЛитератураLiterature

1. Ротхаммель К. Антенны. Москва, Энергия, 1979 г.1. Rothammel K. Antennas. Moscow, Energy, 1979

2. Щелкунов С., Фриис Г. Антенны. Москва, Сов. радио, 1955 г.2. Schelkunov S., Friis G. Antennas. Moscow, Sov. radio, 1955

3. Федянович В.И., Марченко Н.М. Авторское свидетельство СССР №123936 от 2. 1. 1979 г., заявка №2212407 от 9.12.1976 г.3. Fedyanovich V.I., Marchenko N.M. USSR copyright certificate No. 123936 of 2. 1. 1979, application No. 2212407 of 12/9/1976

4. Федянович В.И., Провоторов А.П. Авторское свидетельство СССР №229575 от 2. 12. 1985 г., заявка №3097998 от 27.9.1984 г.4. Fedyanovich V.I., Provotorov A.P. USSR author's certificate No. 229575 of 2. 12. 1985, application No. 3097998 of 09/27/1984

5. Федянович В.И., Провоторов А.П. Авторское свидетельство СССР №1741205 от 9.11.1989 г., заявка №4269735 от 6.4.1987 г.5. Fedyanovich V.I., Provotorov A.P. USSR copyright certificate No. 1741205 of November 9, 1989, application No. 4269735 of 6.4.1987

6. Беличенко В.П., Буянов Ю.И., Кошелев В.И., Плиско В.В. "Радиотехника и электроника". 1999 г., т. 44, №2, с.178.6. Belichenko V.P., Buyanov Yu.I., Koshelev V.I., Plisko V.V. "Radio engineering and electronics." 1999, vol. 44, No. 2, p. 178.

7. Андреев Ю.А., Буянов Ю.И., Кошелев В.И., Сухушин К.Н. "Радиотехника и электроника". 1999 г., т. 44, №5, с.531.7. Andreev Yu.A., Buyanov Yu.I., Koshelev V.I., Sukhushin K.N. "Radio engineering and electronics." 1999, v. 44, No. 5, p. 513.

8. Поздняков Л.П., Бичель В.В., Меркулов А.А. Авторское свидетельство СССР №185971 от 30.06.1966 г., заявка от 29.07.1963 г.8. Pozdnyakov L.P., Bichel V.V., Merkulov A.A. USSR author's certificate No. 185971 of 06/30/1966, application of 07/29/1963

Claims (1)

Комбинированная антенна, содержащая два соосных электрических вибратора, отличающаяся тем, что основной вибратор представляет собой вертикальную биконическую тонкопроволочную решетку с разнесенными по вертикали вершинами конусов с уменьшенной длиной стержней верхнего конуса и точкой питания в нижней части проводника, соединяющего вершины, а дополнительный вибратор - тонкопроволочную решетку из дуг по числу стержней в верхнем конусе, выходящих из вершины нижнего конуса, проходящих между стержнями верхнего конуса и соединяющихся друг с другом на оси комбинированной антенны над вершиной верхнего конуса и с коротким стержнем, направленным вверх по оси комбинированной антенны.A combined antenna containing two coaxial electric vibrators, characterized in that the main vibrator is a vertical biconical thin-wire array with vertically spaced vertices of the cones with a reduced length of the rods of the upper cone and a power point in the lower part of the conductor connecting the vertices, and an additional vibrator is a thin-wire array from arcs according to the number of rods in the upper cone, emerging from the top of the lower cone, passing between the rods of the upper cone and connected by in combination with another axis of the antenna above the top of the upper cone and a short rod, an upwardly directed axis by a combined antenna.

Images