Вибраторная антенна

 

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к классу сверхширокополосных приемопередающих вибраторных антенн, и может найти применение в системах связи, в метрологии, в обеспечении электромагнитной совместимости, в определении предельно допустимых уровней электромагнитных полей экологозащитных мероприятий. Техническим результатом является создание сверхширокополосной с расширением в область низких частот вибраторной антенны с высоким уровнем согласования во всем рабочем диапазоне частот, простой конструкции с высокими механической прочностью и надежностью, малой металлоемкостью и малым весом. Сущность изобретения: вибраторная антенна содержит два идентичных вибратора, каждый из которых выполнен из двух металлических пластин конечной толщины, поверхности которых расположены в одной плоскости, а контур каждой пластины вибратора выполнен в форме почти запятой. Внешняя боковая кромка контура каждого вибратора расположена по образующей конической поверхности и их вершины обращены друг к другу. Одни концы металлических пластин сходятся в одной точке, соответствующей вершине конической поверхности, и соединены с входными линиями передачи согласующе-симметрирующего устройства, выходная линия передачи которого является входной линией передачи вибраторной антенны. Другие концы металлических пластин вибраторов сходятся в одной точке и гальванически в ней соединены. 10 з.п.ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к классу сверхширокополосных приемо-передающих вибраторных антенн, и может найти применение в системах связи, в задачах метрологии для измерения синусоидальных, шумовых и импульсных электрических полей в лабораторных помещениях, экранированных камерах и на открытых площадках, в задачах обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств, защиты информации, а также предельно допустимых уровней электромагнитных полей в задачах обеспечения эколого-защитных мероприятий.

Известна приемная активная измерительная биконическая вибраторная антенна (антенна типа АИ4-2, Каталог "Научно-производственный центр "НЕЛК", Москва, "Технические системы защиты информации 2000", стр.57) с рабочим диапазоном частот 0,05...1000 МГц, содержащая два осесимметричных вибратора, каждый из которых выполнен в форме металлического круглого прямого конуса, вершины которых обращены друг к другу и подключены к входным каналам активного согласующе-симметрирующего усилительного устройства, выходной канал которого является выходным каналом биконической вибраторной антенны, выполненный на коаксиальном соединителе. Недостатками активной измерительной биконической вибраторной антенны являются: возможность работы антенны только в режиме измерения, т.е. приема, и невозможность использования антенны в режиме излучения; активное согласующе-симметрирующее усилительное устройство имеет значительный уровень собственных шумов; наличие источника питания постоянного тока - аккумуляторов или батарей; антенна обладает значительным уровнем "микрофонного эффекта", что не позволяет проводить измерения при уровне внешних шумовых воздействий >60dB; антенна имеет значительные объемные габариты и большую металлоемкость.

Наиболее близким техническим решением-прототипом является приемо-передающая вибраторная антенна (Antenna Catalog 1999 "ЕМСО" ЕМС TEST SYSTEMS - An ESCO Company, Model 3110В, стр.13) с диапазоном рабочих частот 30...300 МГц (коэффициент перекрытия по частоте K_f = f_max/f_min = 10), содержащая два осисимметричных вибратора, каждый из которых выполнен из металлических проводников круглого поперечного сечения, расположенных по образующей конической поверхности круглого прямого конуса, вершины которых обращены друг к другу, причем одни и другие концы металлических проводников каждого вибратора сходятся в одной точке и гальванически в ней соединены соответственно. Одни точки гальванического соединения металлических проводников одного и другого вибраторов, соответствующие вершинам конической поверхности, соединены с входными каналами пассивного согласующе-симметрирующего устройства, выходной канал которого является выходным каналом вибраторной антенны, выполненный на отрезке коаксиальной линии. Недостатками приемо-передающей вибраторной антенны являются: узкополосность относительно верхней границы частотного диапазона; низкий уровень согласования в низкочастотной области диапазона; значительные продольные и поперечные габариты; антенна обладает достаточно высоким уровнем "микрофонного эффекта", что не позволяет проводить измерения при уровне внешних шумовых воздействий >55dB.

Технической задачей данного изобретения является создание приемо-передающей сверхширокополосной, с расширением в область высоких частот, вибраторной антенны с высоким уровнем согласования во всем рабочем диапазоне частот, с низким уровнем "микрофонного эффекта" при уровне внешних шумовых воздействий ≥96 dB, с плоской апертурой, с простой конструкцией, с высокой механической прочностью и надежностью, малой металлоемкостью и малым весом, с высокой технологической воспроизводимостью.

Поставленная задача решается тем, что в вибраторной антенне, содержащей два идентичных вибратора, продольная ось которых совмещена с продольной осью вибраторной антенны, каждый вибратор которой выполнен из двух металлических проводников, вершины которых обращены друг к другу, при этом металлические проводники на одном и другом концах соответственно, сходятся в одной точке и гальванически в ней соединены, причем одни точки гальванического соединения металлических проводников, соответствующие вершинам, соединены с соответствующими входными линиями передачи симметрирующе-согласующего устройства, выходная линия передачи которого, выполненная на отрезке коаксиальной линии передачи, является входом вибраторной антенны, при этом металлические проводники выполнены в виде пластин конечной толщины, которые расположены в одной координатной плоскости, проходящей через продольную ось вибраторной антенны, причем кромки пластины, исходящие из точки одного конца, соответствующего вершине в направлении другого конца, выполнены линейно расходящимися с острым углом раскрыва Θ, при этом линейный участок кромки пластины вибратора, по отношению к продольной оси вибраторной антенны, переходит в нелинейный участок кромки с выпуклым искривлением, радиус кривизны которого уменьшается с увеличением расстояния в направлении от одного конца металлической пластины вибратора к другому концу, и переходит в первый нелинейный участок кромки, выполненный в форме овала, при этом длина перпендикуляра h к кромке в точке перегиба первого нелинейного участка кромки до продольной оси вибраторной антенны определяет размер половины ширины вибратора, а линейный участок кромки, внутренней по отношению к продольной оси вибраторной антенны, плавно переходит в нелинейный участок кромки, с вогнутым искривлением, радиус кривизны которого уменьшается с увеличением расстояния в направлении от одного конца металлической пластины вибратора к другому концу, и переходит во второй нелинейный участок контура, выполненный в форме овала, точка перегиба которого соответствует точке схождения и гальванического соединения других концов пластин соответствующего вибратора.

Вибраторная антенна структурно представляет собой плоскую конструкцию, состоящую из двух идентичных плоских металлических вибраторов. Каждый вибратор выполнен, по крайней мере, из двух металлических пластин конечной толщины. Внешний контур боковой кромки каждой металлической пластины вибратора имеет форму почти "запятой". Острые окончания "запятой" одной и другой металлических пластин вибратора сходятся в одной точке, являющейся вершиной вибратора. Угол ψ при вершине вибратора выбирается из условия ψ≥90^o. Величина угла ψ определяет входное сопротивление вибраторной антенны и одновременно является параметром для определения нижней граничной частоты f_грH вибраторной антенны (Щелкунов и Фрис, "Антенны", пер. с англ., М.: изд-во "Советское Радио", 1955, гл.13). Нижняя граница частотного диапазона f_грH плоской вибраторной антенны со сложной формой внешней и внутренней боковой кромки контура металлической пластины вибратора определяется f_грH ≅ C₀/12L, где С₀ - скорость света, L - длина образующей внешней боковой кромки контура металлической пластины вибратора, внешней по отношению к продольной оси вибраторной антенны, от вершины поверхности до точки гальванического схождения металлических пластин вибратора. Форма и длина образующей внутренней боковой кромки контура, внутренней по отношению к продольной оси вибраторной антенны, металлической пластины вибратора от вершины до точки гальванического схождения металлических пластин вибратора выбирается из условий оптимального согласования в рабочем диапазоне частот вибраторной антенны. Линейно расширяющиеся боковые кромки контура поверхности каждой металлической пластины вибратора, исходящие из точки одного конца, соответствующего вершине, выполнены с острым углом раскрыва Θ = 20^o ... 38^o (Eugen Philippow, Taschenbuch Elektrotechnik, Band 3, Carl Hanser-Verlag Munchen-Wien 1978, Seite 569). Верхняя граница частотного диапазона f_грB плоской вибраторной антенны определяется требованиями к форме диаграммы направленности (как правило, по уровню провала в главном лепестке диаграммы направленности 3 дБ), что составляет порядка f_грB ≅ 14C₀/2πL. В этом случае коэффициент перекрытия по частоте составляет K_f = 26,75. В рамках определенного частотного диапазона плоская вибраторная антенна имеет достаточно постоянную величину входного сопротивления, что позволяет обеспечить высокий уровень симметрирования (переход с двухпроводной симметричной линии, эквивалентной вибраторам, на несимметричную коаксиальную линию) и согласование входного сопротивления вибратора порядка 110 - 140 Ом с 50-омной коаксиальной линией (М.С.Жук, Ю.Б. Молочков. Проектирование антенно-фидерных устройств. М. -Л. , изд-во "Энергия", 1966, стр.130).

Выполнение боковой кромки контура металлической пластины вибратора, выполненного в форме овала, вибраторной антенны в форме овала Кассини позволяет оптимизировать характеристики согласования в диапазоне частот (Математическая энциклопедия: Гл. ред. И. М.Виноградов. т.2 Д-Коо. - М.: "Советская Энциклопедия", 1979. - стр.759); и (И.Н.Бронштейн, К.А.Семендяев/ Справочник по математике, М.: Наука, 1967, стр.106).

Большая ось боковой кромки контура металлической пластины вибратора, выполненного в форме овала, составляет с продольной осью вибраторной антенны угол Ф = 65^o до 105^o. Величина угла Ф определяет неравномерность характеристики согласования в диапазоне частот вибраторной антенны.

Выполнение огибающей боковой кромки, внешней по отношению к продольной оси вибраторной антенны, контура металлических пластин обоих вибраторов в форме овала Лемниската, у которого фокусы соответствуют точкам схождения других концов металлических пластин вибраторов соответственно, позволяет оптимизировать нижнюю f_грН и верхнюю f_грB границы частотного диапазона по величине неравномерности характеристики согласования вибраторной антенны (И.Н. Бронштейн, К. А. Семендяев/ Справочник по математике, М.: Наука, 1967, стр. 107; Уолш Дж. - Л., Интерполяция и аппроксимация рациональными функциями в комплексной области, пер. с англ., М.: Мир, 1961, с.256).

Металлические пластины вибраторов антенны могут быть выполнены в печатном исполнении на диэлектрической подложке. В этом случае, при сохранении геометрических размеров вибраторов, электрические размеры вибраторов увеличиваются в √ε_r раз, где ε_r - относительная диэлектрическая проницаемость подложки. Это позволяет обеспечить дополнительное расширение частотного диапазона вибраторной антенны в низкочастотную область, сохраняя характеристики согласования.

Внутренняя область металлических пластин вибраторов может быть выполнена в виде металлической решетки, в виде металлических полосок продольно или поперечно ориентированных по отношению к продольной оси антенны. Такое выполнение металлических пластин вибраторов позволяет уменьшить металлоемкость и вес, а для работы на открытом пространстве уменьшить ветровую нагрузку.

Металлические пластины вибраторов, закрепленные в корпусе симметрирующе-согласующего устройства и имеющие диэлектрическое покрытие на вспененной основе, например выполненном на основе пенополиуретана, или в обливном виде пористой резиной, обладают низким уровнем "микрофонного эффекта", что позволяет проводить измерения при уровне внешних шумовых воздействий >95 dB (Карпушин В.Б. Вибрации и удары в радиоаппаратуре. Изд-во "Советское радио", 1971, 344 с.; Акустика в задачах. Под ред. С.Н.Гурбатова и О.В.Руденко. - М. : Наука. Физматлит, 1996. - 336 с.). Одновременно диэлектрическое покрытие выполняет и защитные функции от технических и механических повреждений металлических поверхностей вибраторов и других внешних воздействий. Диэлектрические покрытия должны выполняться из радиопрозрачных материалов, обладающих минимальными потерями.

На фиг.1 изображена конструкция вибраторной антенны с двумя плоскими металлическими проводниками в каждом вибраторе; фиг.2 - конструкция вибраторной антенны с двумя плоскими металлическими проводниками в каждом вибраторе, выполненными в печатном исполнении на диэлектрической подложке; на фиг. 3 - конструкция вибраторной антенны с четырьмя плоскими металлическими проводниками в каждом вибраторе, выполненными в печатном исполнении на диэлектрической подложке; на фиг. 4 - конструкция вибратора с двумя плоскими металлическими проводниками, внутренние области поверхности которых выполнены в виде металлической сетки; на фиг.5 - конструкция вибратора с двумя плоскими металлическими проводниками, внутренняя область поверхности которых выполнена в виде металлических проводников, продольно ориентированных по отношению к продольной оси вибраторной антенны; на фиг.6 - конструкция вибратора с двумя плоскими металлическими проводниками, внутренняя область поверхности которых выполнена в виде металлических проводников, поперечно ориентированных по отношению к продольной оси вибраторной антенны; на фиг.7 схематически показаны геометрические параметры конструкции металлических пластин вибратора вибраторной антенны.

Вибраторная антенна 1 (фиг. 1) содержит два идентичных вибратора 2, продольные оси которых совмещены с продольной осью 3 вибраторной антенны 1, при этом вибраторы 2 выполнены, по крайней мере, из двух металлических проводников 4, вершины которых обращены друг к другу, при этом металлические проводники 4 вибраторов 2 на одном 5 и другом 6 концах соответственно сходятся в одной точке и гальванически в ней соединены, при этом одни концы 5 гальванического соединения металлических проводников вибраторов 4, соответствующие вершинам, соединены с соответствующими входными линиями передачи симметрирующе-согласующего устройства 7, выходная линия передачи 8 которого выполнена на отрезке коаксиальной линии передачи, является входом вибраторной антенны 1, при этом металлические проводники 4 вибраторов 2 вибраторной антенны 1 выполнены в виде металлических пластин конечной толщины, поверхности которых расположены в одной плоскости, параллельной координатной плоскости, проходящей через продольную ось 3 вибраторной антенны 1, причем боковые кромки контура поверхности каждой металлической пластины 4 вибраторов 2, исходящие из одного конца 5, соответствующего вершине, в направлении другого ее конца 6 выполнены линейно расходящимися с острым углом Θ раскрыва, при этом линейный участок боковой кромки контура 9 металлической пластины 4 вибратора 2, внешней по отношению к продольной оси 3 вибраторной антенны 1, плавно переходит в нелинейный участок боковой кромки контура 10 металлической пластины 4 вибратора 2, продольно ориентированного по отношению к продольной оси 3 вибраторной антенны 1, с выпуклым искривлением, радиус кривизны которого уменьшается с увеличением расстояния в направлении от одного конца 5 металлической пластины 4 вибратора 2 к другому концу 6 металлической пластины 4 вибратора 2 и переходит в первый нелинейный участок боковой кромки контура 11 металлической пластины 4, выполненного в форме овала, при этом длина перпендикуляра h 12 от точки перегиба первого нелинейного участка боковой кромки контура 11, выполненного в форме овала, металлической пластины 4 вибратора 2 до продольной оси 3 вибраторной антенны 1 определяет размер половины ширины плеча вибратора 2, а линейный участок боковой кромки контура 13 металлической пластины 4 вибратора 2, внутренней по отношению к продольной оси 3 вибраторной антенны 1, плавно переходит в нелинейный участок боковой кромки контура 14 металлической пластины 4 вибратора 2, поперечно ориентированного по отношению к продольной оси 3 вибраторной антенны 1, с вогнутым искривлением, радиус кривизны которого уменьшается с увеличением расстояния в направлении от одного конца 5 металлической пластины 4 вибратора 2 к другому концу 6 металлической пластины 4 вибратора 2 и переходит во второй нелинейный участок боковой кромки контура 15 металлической пластины 4 вибратора 2, выполненного в форме овала, точка перегиба которого соответствует точке схождения и гальванического соединения других концов 6 металлических пластин 4 соответствующего вибратора 2. Первый 11 и второй 15 нелинейные участки боковой кромки контура металлических пластин 4 вибратора 2, выполненного в форме овала, расположены со стороны вершин, соответствующих большой оси овала, причем длина образующей боковой кромки контура L металлической пластины 4 вибратора 2, внешней по отношению к продольной оси 3 биконической вибраторной антенны 1, равна сумме геометрических длин линейного участка боковой кромки контура 9, нелинейного участка боковой кромки продольного контура 10 с выпуклым искривлением, первого нелинейного участка боковой кромки контура 11, выполненного в форме овала, и второго нелинейного участка боковой кромки контура 15, выполненного в форме овала, от точки схождения и гальванического соединения других концов 6 металлических пластин 4 вибратора 2 до точки соединения с первым нелинейным участком боковой кромки контура 11, выполненного в форме овала.

Вибраторная антенна 1 (фиг.2) может быть выполнена с двумя плоскими металлическими проводниками 4 в каждом вибраторе 2 в печатном исполнении на диэлектрической подложке 16.

Вибраторная антенна 1 (фиг.3) может быть выполнена с четырьмя плоскими металлическими проводниками 4 в каждом вибраторе 2 в печатном исполнении на диэлектрической подложке 16.

Вибраторная антенна 1 (фиг.4) может быть выполнена с двумя плоскими металлическими проводниками 4 в каждом вибраторе 2, при этом внутренние части поверхности плоских металлических проводников 4 вибраторов 2 выполнены в виде металлической сетки 17.

Вибраторная антенна 1 (фиг. 5) может быть выполнена с двумя плоскими металлическими проводниками 4 в каждом вибраторе 2, при этом внутренние части поверхности плоских металлических проводников 4 вибраторов 2 выполнены в виде металлических проводников 18, продольно ориентированных по отношению к продольной оси 3 вибраторной антенны 1.

Вибраторная антенна 1 (фиг.6) может быть выполнена с двумя плоскими металлическими проводниками 4 в каждом вибраторе 2, при этом внутренние части поверхности плоских металлических проводников 4 вибраторов 2 выполнены в виде металлических проводников 19, поперечно ориентированных по отношению к продольной оси 3 вибраторной антенны 1.

На фиг. 7 схематически показаны геометрические параметры плоских металлических проводников 4 вибраторов 2 вибраторной антенны 1.

Вибраторная антенна 1 работает следующим образом.

В режиме излучения электромагнитная энергия входного сигнала через отрезок 8 коаксиальной линии передачи, являющейся несимметричной линией с волной типа ТЕМ и, как правило, с волновым сопротивлением 50 Ом, поступает на симметрирующе-согласующее устройство 7. В согласующе-симметрирующем устройстве 7 осуществляется симметрирование волны типа ТЕМ коаксиальной линии в волну типа ТЕМ двухпроводной линии и одновременно происходит трансформация волнового сопротивления 50 Ом в входное сопротивление вибраторной антенны 1. Величина входного сопротивления вибраторной антенны 1 составляет порядка 110 - 150 Ом с углом при вершине ψ≥90^o. Входные линии передачи согласующе-симметрирующего устройства 7 соединены с одними концами 5 металлических пластин 4 вибраторов 2 вибраторной антенны 1. Правильно рассчитанное и спроектированное согласующе-симметрирующее устройство 7 обеспечивает сверхширокополосное согласование и симметрирование, а также по направленному действию во всем частотном диапазоне работы вибраторной антенны 1 в режиме излучения и в режиме приема.

Геометрическая форма металлической пластины 4 вибратора 2, обеспечивающая заданные электродинамические характеристики в диапазоне частот с высокой степенью приближения аппроксимируется овалом Кассини или лемнискатой, которые представляют собой плоские кривые, описываемые уравнением четвертого порядка как в прямоугольной, так и в полярной системах координат. Используя метод конечных элементов (Л.Сегерлинд. Применение метода конечных элементов. - Пер. с англ. под ред. Б.Е.Победри. - М.: Мир 1979. - 398 с.) и "квазирегулярное" приближение (Ильинский А.С., Слепян Г.Я. Колебания и волны в электродинамических системах с потерями. - М.: Изд-во МГУ, 1983. - 323 с.) посредством параметрической оптимизации рассчитываются форма и геометрические размеры металлических пластин 4 вибраторов 2 под заданные электродинамические характеристики вибраторной антенны 1.

Формула изобретения

1. Вибраторная антенна, содержащая два идентичных вибратора, продольная ось которых совмещена с продольной осью вибраторной антенны, при этом каждый вибратор выполнен из двух металлических проводников, вершины вибраторов обращены друг к другу, причем металлические проводники на одном и другом концах соответственно сходятся в одной точке и гальванически в ней соединены, при этом одни точки гальванического соединения металлических проводников, соответствующие вершинам, соединены с соответствующими входными линиями передачи симметрирующе-согласующего устройства, выходная линия передачи которого, выполненная на отрезке коаксиальной линии передачи, является входом вибраторной антенны, отличающаяся тем, что металлические проводники выполнены в виде пластин конечной толщины, которые расположены в одной координатной плоскости, проходящей через продольную ось вибраторной антенны, причем кромки пластины, исходящие из одного конца, соответствующего вершине, в направлении другого конца выполнены линейно расходящимися с острым углом раскрыва Θ, при этом линейный участок кромки пластины, внешний по отношению к продольной оси вибраторной антенны, переходит в нелинейный участок кромки с выпуклым искривлением, радиус кривизны которого уменьшается с увеличением расстояния в направлении от одного конца металлической пластины вибратора к другому концу и переходит в первый нелинейный участок кромки, выполненный в форме овала, при этом длина перпендикуляра h к кромке в точке перегиба первого нелинейного участка кромки до продольной оси вибраторной антенны определяет размер половины ширины вибратора, а линейный участок кромки, внутренний по отношению к продольной оси вибраторной антенны, переходит в нелинейный участок кромки с вогнутым искривлением, радиус кривизны которого уменьшается с увеличением расстояния в направлении от одного конца металлической пластины вибратора к другому концу и переходит во второй нелинейный участок кромки, выполненный в форме овала, точка перегиба которого соответствует точке схождения и гальванического соединения других концов пластин соответствующего вибратора.

2. Вибраторная антенна, по п.1, отличающаяся тем, что большая ось овала составляет с продольной осью вибраторной антенны угол Ф = 65÷105^o.

3. Вибраторная антенна, по п.1, отличающаяся тем, что острый угол раскрыва Θ = 20÷38^o.

4. Вибраторная антенна по п. 1, отличающаяся тем, угол Ψ при вершине выбирается из условия Ψ≥90^o.

5. Вибраторная антенна по п.1, отличающаяся тем, что пластины выполнены в печатном исполнении на диэлектрической подложке.

6. Вибраторная антенна по п.1, отличающаяся тем, что внутренняя часть поверхности пластин выполнена в виде металлической решетки.

7. Вибраторная антенна по п.1, отличающаяся тем, что внутренняя часть поверхности пластин выполнена в виде металлических проводников, продольно ориентированных по отношению к продольной оси вибраторной антенны.

8. Вибраторная антенна по п.1, отличающаяся тем, что внутренняя часть поверхности пластин выполнена в виде металлических проводников, поперечно ориентированных по отношению к продольной оси вибраторной антенны.

9. Вибраторная антенна по п.1, отличающаяся тем, что поверхности пластин покрыты радиопрозрачным диэлектрическим материалом.

10. Вибраторная антенна по п.9, отличающаяся тем, что в качестве радиопрозрачного диэлектрического материала используются диэлектрические материалы на вспененной основе.

11. Вибраторная антенна по п.9, отличающаяся тем, что в качестве радиопрозрачного покрытия используется резиновое покрытие.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7