Уменьшение длины первичного излучателя

 

Изобретение относится к технике излучения радиоволн в диапазонах от сантиметровых до декаметровых и частично гектометровых волн. Благодаря сочетанию первичного излучателя, в частности штыревой антенны, с магнитодиэлектрической оболочкой выгодной формы и величиной (μ - магнитная, ε - диэлектрическая относительные проницаемости), а также с припаянными к штырю медными дисками уменьшается длина (высота) первичного излучателя по меньшей мере в 1,6 раз. А параметры излучения сохраняются приблизительно прежние, как в обычной штыревой антенне. Результаты получены экспериментально на дециметровых волнах, но их можно распостранить на другие диапазоны волн, используя принцип подобия антенн. 3 з.п.ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к технике излучения радиоволн в диапазонах от сантиметровых волн (СМВ) до декаметровых и частично гектометровых волн, предназначено для использования во многих радиосистемах.

Известны первичные излучатели, в частности штыревые антенны - заземленные вертикальные вибраторы. Они излучают радиоволны эффективно, если длина (высота)l штыря больше или равна 0,2 λ - длины волны свободного пространства (например, [1] ). Поэтому на подвижных объектах (кораблях, судах, автомобилях и т.п.) первичный излучатель (антенна) в диапазонах декаметровых и начального участка гектометровых волн должен иметь высоту порядка десятков метров. Это громоздкое и технически сложное сооружение для подвижного объекта. Велики габариты, необходимы большие площади на земле для антенн декаметровых волн. На дециметровых волнах (ДМВ) и СМВ желательны малые размеры первичных облучателей зеркальных антенн. Поэтому в радиотехнике многие десятилетия стоит задача уменьшения длины (высоты) первичного излучателя при сохранении его эффективности.

Целью настоящего изобретения является уменьшение длины l (высоты) первичного излучателя. Длины известной антенны (штыревой) и заявляемой сравниваются путем измерения их длин вблизи первого резонанса по методу наводимых электродвижущих сил (ЭДС), когда входное сопротивление Z_A = R_{А рез} + jX_А = R_{А рез} + j21 Ом. В классике [2] R_{А рез} = 36,5 Ом, в нашем случае величину R_{А рез} определяет эксперимент при условии, что X_А = 21 Ом.

В экспериментах указанная цель достигалась тем, что штыревая антенна (центральный медный цилиндрический провод) заключалась в полиэтиленовую оболочку почти конической формы (модели заявленных излучателей на фиг. 1 ... 5 вверху слева). На торце конуса к центральному проводу припаян медный диск. Диаметр диска равен или слегка больше диаметра конуса. В некоторых моделях есть промежуточные медные диски, тоже припаянные к центральному проводу. Провод завершается штеккером, который вставляется в гнездо измерительной линии. Штеккер не участвует в излучении, так как расположен под плоским алюминиевым листом - "идеальным" экраном. Модели показаны в разрезе, размеры в миллиметрах.

На фиг. 6 (вверху слева) представлена модель известной штыревой антенны, которая длиннее заявляемых примерно в 1,6 раза.

Параметры моделей антенн получены экспериментально на измерительной линии P1-17 с генератором Г4-37А по методике [3] в диапазоне ДМВ (450 ... 1150 МГц, λ = 667 ... 261 мм). Результаты измерений параметров заявляемых антенн и эквивалентной (известной) штыревой антенны представлены на фиг. 1 ... 6 в виде графиков. Приборные точки входных активных сопротивлений R_А обозначены ·, входных реактивных сопротивлений X_А обозначены ° , коэффициента бегущей волны K_б.в обозначены x.

Основой уменьшения длины (высоты) первичного излучателя является заключение проводника с высокочастотным (ВЧ) током в магнитодиэлектрическую оболочку с увеличенными относительными проницаемостями: диэлектрической ε и магнитной μ при малых потерях на ВЧ. Оболочка замедляет скорость распространения электромагнитной волны, но создает отражение потока вектора Умова-Пойнтинга на поверхности S раздела сред оболочка - свободное пространство (воздух). Успех в работе антенны определяется в значительной мере комплексом мер, снижающих отражение.

Впервые заключил цилиндрический проводник с током в цилиндрическую магнитодиэлектрическую оболочку с большой Г.Ч. Райт [5]. На этой простейшей конструкции в режиме радиоприема увеличилась ЭДС в 8 раз на частоте 683 МГц по сравнению с такой же антенной без оболочки. Но измерение лишь одного параметра не позволяет даже оценить минимально необходимый параметр R_F (сопротивление излучения) и качество антенны ([4], с. 229).

Конструкцию Райта полагаем прототипом заявленных антенн.

Укажем меры по улучшению параметров излучения моделей заявленных антенн.

При цилиндрической форме центрального провода антенны оболочка имеет форму конуса, его вершина обращена к питающему коаксиальному кабелю. Плоское основание (торец) конической оболочки завершает медный диск, припаянный к центральному проводу. Видимо, коническая оболочка вместе с торцевым диском, по сравнению с цилиндрической оболочкой, увеличивает составляющую электрического поля E, параллельную поверхности S раздела сред, увеличивает долю потока вектора Умова-Пойнтинга, пересекающего поверхность S при более остром угле падения; растет доля излученной мощности. При конической оболочке улучшается согласование коаксиального кабеля с антенной, уменьшается масса изделия.

Эксперимент с цилиндрической оболочкой дал существенно худшие параметры излучения. А цилиндр без торцевого медного диска, припаянного к центральному проводу (так у Райта), почти не излучает на нижних частотах нашего диапазона.

Доля потока вектора Умова-Пойнтинга, пересекающего поверхность S при более остром угле, увеличивается, если боковую поверхность идеального конуса сделать вогнутой к продольной оси антенны (фиг. 2, 3, 4, 5).

В ряде заявленных моделей используются промежуточные достаточно частые медные диски, припаянные к центральному проводу и перпендикулярные ему (постоянные расстояния между дисками равны или меньше 0,14 высоты провода). Видимо, диски уменьшают свободные расстояния в оболочке, при которых растет вероятность полного внутреннего отражения, увеличивают составляющую поля E, параллельную поверхности S оболочки (особенно вогнутой), а линии магнитного поля H параллельны поверхности круглой оболочки всегда (по первому уравнению Максвелла). Поэтому поток вектора Умова-Пойнтинга пересекает поверхность S почти перпендикулярно, что уменьшает отражение.

Положительный эффект от особо частых дисков (фиг. 4) проявляется сильнее на верхних частотах диапазона, именно здесь больше R_б.в., чем в модели без дисков (фиг. 2). А на нижних частотах линии поля E достаточно параллельны поверхности S за счет торцевого медного диска.

Кроме того, частые диски увеличивают замедление, что соответствует уменьшению длины заявленного излучателя.

Увеличенный диаметр торцевого диска (до 27 мм, фиг. 2, 5) увеличивает действующую высоту антенны и замедление. Это заметно улучшает параметры антенн на нижних частотах (до первого резонанса). На верхних частотах нет полезного эффекта от увеличенного диска.

В модели фиг. 1 торцевой диск не увеличен, нет дисков в центральной части конуса, конус без прогиба. Поэтому замедление уменьшилось до 1,44 и наименьший K_б.в на нижних частотах. Но сопротивления R_А на нижних частотах сравнительно большие, видимо, за счет более тонкого центрального провода (1,3 мм вместо обычного 2,73).

Сравним подробнее параметры заявленной лучшей (по работе на нижних частотах) модели фиг. 5 и модели известной штыревой антенны фиг. 6, которая длиннее заявленной в 1,6 раза. На нижних частотах (450 - 500 МГц) K_б.в модели заявленной антенны больше K_б.в модели штыревой, поэтому большие R_А штыревой антенны "ухудшаются" ее большими X_А. Следовательно, главные параметры антенн равносильны. Вблизи резонанса (≈ 640 МГц) реактивное сопротивление X_А меньше активного сопротивления R_{А рез}. Так как в нашей измерительной линии Р1-17 волновое сопротивление ρ = 50 Ом, то сопротивление штыревой антенны вблизи резонанса R_{А рез} = 44,7 Ом оказалось близким к ρ измерительной линии; получили сравнительно большой K_б.в = 0,76. У заявленной антенны R_{А рез} = 31,4 Ом, далекое от ρ измерительной линии, меньше K_б.в = 0,54. Если бы линия имела ρ = 35 Ом, у заявленной антенны был бы тоже большой K_б.в, близкий к 0,76. На верхних частях (750 - 1150 МГц) активные и реактивные составляющие сопротивлений обеих антенн имеют примерно одинаковый порядок. А заявленная модель фиг. 4 имеет на этих верхних частотах более совершенные K_б.в, R_А, X_А относительно известной модели штыря.

Основой конструкций моделей заявленных излучателей является коаксиальный кабель РК-8 (внутренний медный провод диаметром 2,73 мм, диаметр по изоляции 18 мм, изоляция полиэтиленовая, ε = 2,28). Диски из медной фольги толщиной 0,2 - 0,4 мм. Других электроматериалов автор не имеет.

Экспериментом доказано, что уменьшение средней толщины оболочки увеличивает активное сопротивление первого резонанса R_{А рез}. Согласно граничным условиям у линий поля E в тонком пространстве центральный провод-поверхность S оболочки растет параллельная составляющая E_t к поверхности оболочки; E_t растет также при увеличении материала оболочки. Линии поля H параллельны оболочке всегда. Поэтому возникающий поток вектора Умова-Пойнтинга пересекает поверхность оболочки почти перпендикулярно, что уменьшает отражение, увеличивает R_{А рез}.

Можно надеяться: если использовать в замедляющей оболочке материал с большим экспериментального = 1,51 в 2 - 5 раз, уменьшится толщина оболочки примерно в такое же число раз, возрастает активное сопротивление первого резонанса R_{А рез}. Поэтому будет возможно иметь замедление, например, 2 - 3, значит, высоту известной металлической штыревой антенны уменьшить в 2 - 3 раза при сохранении прежних K_б.в и сопротивления излучения.

В интересах самоукорочения антенны на верхних частотах, значит, расширения частотного диапазона полезно иметь форму центрального провода, близкую к конической с вершиной конуса, обращенной к концу антенны. С этой же целью полезнее почти коническая оболочка, но с вершиной конуса, обращенной к коаксиальному кабелю, как на заявленных моделях антенн.

Полученные результаты можно применять для создания симметричного вибратора, а также распространить их на другие первичные излучатели в диапазонах СМВ, ДМВ, метровых ... частично гектометровых волн, используя принцип подобия антенн [4], если дополнить его поправками, учитывающими влияние замедляющей оболочки.

Литература 1. Тарнецкий А.А., Осипов Д.Д. Антенны судовой радиосвязи. - Л.: Судпромгиз. 1980.

2. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. - М.: Энергия. 1975.

3. Фрадин А.З., Рыжков Е.В. Измерение параметров антенно-фидерных устройств. - М.: Связьиздат. 1962.

4. Надененко С.И. Антенны. - М.: Связьиздат. 1959.

5. Патент США N 3922684, H 01 Q 1/40, 1975.

Формула изобретения

1. Вертикальный вибратор, содержащий цилиндрический проводник, заключенный в магнитодиэлектрическую оболочку, который подключен в основании со стороны земли коаксиальным кабелем к генератору ВЧ ЭДС, отличающийся тем, что магнитодиэлектрическая оболочка имеет форму, близкую к конусу с вершиной, обращенной к коаксиальному кабелю, и боковой поверхностью, вогнутой к вибратору.

2. Вибратор по п.1, отличающийся тем, что торец оболочки завершает медный диск диаметром, равным 1,22 - 1,5 диаметра этого торца, припаянный к вибратору.

3. Вибратор по п.1, отличающийся тем, что перпендикулярно вибратору с равными промежутками, которые равны или меньше 0,14 высоты вибратора, припаяны медные диски диаметром, большим текущего диаметра оболочки.

4. Вибратор по п.1, отличающийся тем, что магнитодиэлектрическая оболочка имеет

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6