Антенна
Предполагаемое изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в радиотехнических устройствах в качестве передающей и приемной антенны при излучении сверхкоротких импульсов электромагнитного излучения, а также в качестве слабонаправленной сверхширокополосной антенны. Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение диаграммы направленности независимой от частоты, что обеспечивает излучение неискаженного импульса электромагнитного поля в импульсном режиме работы. Сущность изобретения состоит в том, что антенна состоит из линии передачи с ТЕМ-волной и установленным на ее открытом конце металлическим экраном. Новым признаком является подключение к открытому концу линии передачи с ТЕМ-волной активной нагрузки с величиной сопротивления, меньшей или равной волновому сопротивлению линии передачи с ТЕМ-волной. 1 ил.
Предлагаемое изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в радиотехнических устройствах в качестве передающей и приемной антенны при излучении сверхкоротких импульсов электромагнитного излучения, а также в качестве слабонаправленной сверхширокополосной антенны. Кроме того, заявляемое техническое решение может быть использовано в качестве элемента более сложных импульсных антенн, например, в качестве облучателя зеркальных антенн или элементарного излучателя в многоэлементной антенной решетке.
Антенна, предназначенная для излучения и приема сверхкоротких импульсов, должна одновременно удовлетворять следующим противоречивым условиям.
1. Амплитудные диаграммы направленности антенны при возбуждении ее синусоидальным сигналом не должны зависеть от частоты этого сигнала в полосе 5:1 и более.
2. Фазочастотная характеристика антенны, понимаемая как зависимость фазы излученного ею поля в некоторой удаленной точке в направлении максимума излучения от частоты, должна быть линейной в указанной полосе частот.
3. Положение фазового центра антенны должно быть стабильным в полосе частот.
4. Поляризационные диаграммы направленности также не должны завис еть от частоты в указанной полосе частот.
5. Особую роль играет необходимость обеспечить очень низкий уровень отражения сверхкороткого импульса в элементах антенно-фидерного тракта. Наличие многократных переотражений, возникающих в процессе прохождения от передатчика (генератора импульсов) до свободного пространства приводит к искажению формы излучаемого электромагнитного импульса и увеличению его длительности по сравнению с импульсом генератора. Описываемое явление приводит к особенно неприятным последствиям в случае радиолокатора, использующего сверхкороткие зондирующие импульсы. В подобных радиолокаторах из-за отсутствия в настоящее время сверхбыстродействующих коммутаторов «прием-передача» приходится использовать две близкорасположенные импульсные антенны - передающую и приемную. Наличие паразитной связи между этими антеннами приводит к появлению на входе приемника значительных по уровню сигналов большой длительности. Эти сигналы, являясь по своей сущности аналогом сигналов пассивной помехи в обычных радиолокаторах, маскируют полезные отраженные сигналы. При этом следует иметь в виду, что полезные отражатели в случае РЛС со сверхширокополосными зондирующими сигналами могут находиться на расстоянии единиц и долей метра от РЛС.
В настоящее время в качестве импульсных антенн используются широкополосные антенны известных типов. Все они лишь частично удовлетворяют вышеперечисленным требованиям. В качестве аналогов предлагаемой антенны могут рассматриваться так называемая антенна-«бабочка» [Schager K.L. IEEE Trans. Antennas and Prop, vol.AP-42, №7, 1994, p. 975-982], представляющая собой симметричный электрический вибратор, плечи которого имеют форму треугольных пластин, а также ТЕМ-рупор [Yarovoy A.G. IEEE Trans. Antennas and Prop, vol.AP-50, 2002, p. 1460-1472], который получается из «бабочки» путем разворота плеч таким образом, что они образуют противоположные грани четырехгранной пирамиды. В первом случае недостатком является плохое согласование антенны и изменчивость диаграммы направленности в полосе частот. Для ТЕМ-рупора характерна изменчивость положения фазового центра и формы диаграммы направленности в полосе частот.
Наиболее близким по технической сущности является антенна [R.C.Johnson, H. Jasik Antenna Engineering Handbook, 1984, р. 8-25, Fig 8-20], представляющая собой открытый конец коаксиальной линии передачи, обрамленный металлическим экраном достаточно больших по сравнению с длиной волны размеров. Диаграмма направленности такой антенны имеет воронкообразный вид с нулем излучения вдоль оси коаксиальной линии Сопротивление излучения такой антенны имеет большее по сравнению с волновым сопротивлением коаксиальной линии значение, сильно меняющееся с частотой сигнала, возбуждающего антенну. Это обстоятельство делает невозможным ее широкополосное согласование.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение диаграммы направленности независимой от частоты, что обеспечивает излучение неискаженного импульса электромагнитного поля в импульсном режиме работы.
Сущность изобретения состоит в том, что антенна состоит из линии передачи с ТЕМ-волной и установленным на ее открытом конце металлическим экраном. Новым признаком является подключение к открытому концу линии передачи с ТЕМ-волной активной нагрузки с величиной сопротивления меньшей или равной волновому сопротивлению линии передачи с ТЕМ-волной.
На чертеже представлен пример выполнения антенны. Заявляемая импульсная антенна состоит из линии передачи с ТЕМ-волной 1, металлического экрана 2, установленного на ее открытом конце, и активной нагрузки 3, подключенной к открытому концу линии передачи с ТЕМ-волной 1.
Антенна в импульсном режиме работает следующим образом. Как известно, при распространении волны по линии передачи с ТЕМ-волной, нагруженной на нагрузку 3, сопротивление которой меньше или равно волновому сопротивлению линии передачи с ТЕМ-волной, отсутствуют отражения на всех частотах, лежащих в рабочем диапазоне линии передачи. В то же время очевидно, что ток, протекающий в согласованной нагрузке, является источником электромагнитного излучения, уходящего в пространство. Такая антенна может рассматриваться как антенна, направленные свойства которой не зависят от частоты, так как на всех частотах рабочего диапазона активное сопротивление с протекающим в нем током представляет собой элементарный электрический вибратор.
Предлагаемая антенна удовлетворяет и другим требованиям, предъявляемым к антеннам, предназначенным для излучения сверхкоротких импульсов или для работы в сверхширокополосном режиме.
Действительно, диаграмма направленности линейного излучателя с размерами меньше половины длины волны, как известно, является диаграммой направленности элементарного электрического вибратора и от частоты не зависит. То же относится и к поляризационным диаграммам направленности. Что касается положения фазового центра, то оно также стабильно и совпадает с геометрическим положением согласованной нагрузки.
Антенна, состоящая из линии передачи с ТЕМ-волной с установленным на ее открытом конце металлическим экраном, отличающаяся тем, что к открытому концу линии передачи с ТЕМ-волной подключена нагрузка, причем активное сопротивление нагрузки выбирается меньшим или равным волновому сопротивлению линии передачи с ТЕМ-волной.
