Торцевая антенна дипольного вида

Изобретение относится к антенной технике, в частности к торцевым антеннам дипольного вида, работающим в диапазоне сверхвысоких частот. Техническим результатом изобретения является формирование диаграммы направленности с одинаковой шириной главного лепестка в Е- и Н-плоскостях, направленного по оси питающего волновода в направлении окружающего свободного пространства впереди него. Технический результат достигается тем, что в торцевую антенну дипольного вида, содержащую цилиндрическую металлическую чашу с плоским дном, тонкой боковой цилиндрической стенкой и открытым торцом, расположенный вне чаши параллельно плоскости торца вблизи него излучатель, состоящий из двух идентичных вытянутых коллинеарных тонких цилиндрических сплошных излучающих проводников, длина которых не превышает радиус чаши, пару ортогональных дну отрезков идентичных коаксиальных линий, длина которых превышает глубину чаши, состоящих из трубчатых наружных и сплошных внутренних проводников, при этом глубинные концы наружных проводников отрезков соединены гальванически с плоским дном, глубинные концы внутренних проводников отрезков проходят сквозь дно чаши через круглые отверстия в нём, диаметр которых равен внутреннему диаметру трубчатых наружных проводников, в отличие от прототипа дополнительно введены отрезок работающего на доминантной волне ТЕ11 круглого волновода, диаметр которого меньше диаметра чаши, и два идентичных соосных разомкнутых кольцевых проводника, диаметр которых не превышает радиус круглого волновода, при этом наружная сторона дна чаши соединена гальванически с одним из торцов круглого волновода так, что ось чаши не совпадает с осью круглого волновода, отрезки идентичных коаксиальных линий разнесены относительно оси волновода в противоположные стороны вдоль линии, проходящей через ось волновода параллельно проходящей внутри волновода вблизи дна чаши поперечной составляющей напряжённости магнитного поля доминантной волны ТЕ11, глубинные концы внутренних сплошных проводников упомянутых отрезков, проходящие внутрь круглого волновода сквозь отверстия в дне чаши, гальванически соединены с одноимёнными концами разомкнутых кольцевых проводников, общая ось которых параллельна линии разнесения отрезков коаксиальных линий и отстоит внутри волновода от наружной стороны дна чаши на расстоянии, равном 1,25 их радиуса, одноимённые концы цилиндрических коллинеарных излучающих проводников гальванически соединены с внешними концами внутренних сплошных проводников упомянутых отрезков коаксиальных линий, при этом длина излучающих проводников равна 0,9 расстояния между осями разнесённых отрезков коаксиальных линий, внешние концы наружных трубчатых проводников которых разомкнуты, а второй торец круглого волновода является входом/выходом антенны. 8 ил.

 

Предлагаемая торцевая антенна дипольного вида (ТАДВ) относится к области антенной техники диапазона сверхвысоких частот (СВЧ) и, будучи запитанной круглым волноводом, предназначена для формирования линейно поляризованного излучения с диаграммой направленности, имеющей равную угловую ширину по уровню половинной мощности как в Е-, так и в Н-плоскости.

Актуальность совершенствования такого вида антенн обусловлена всё возрастающими требованиями к антенным системам сантиметрового диапазона в отношении их габаритно-массовых показателей, а также необходимостью упрощения компоновочных, сборочных и регулировочных работ при высоконадёжном монтаже антенн на подвижных объектах установки, в том числе борт пилотируемого малоразмерного летательного аппарата или беспилотника, кузов автомобиля или тягача и т.п. При этом весьма существенно требование всемерного упрощения конструкции антенны и максимального повышения её производственной и эксплуатационной технологичности при питании стандартными волноводами, которые имеют в сантиметровом диапазоне волн весьма малые диссипативные потери по сравнению с коаксиальными, полосковыми и микрополосковыми линиями передачи.

Известна ТАДВ, описанная в работе: Г.Т. Марков, Д.М. Сазонов, «Антенны», М.: «Энергия», 1975, стр. 445, рис. 13-24. В этой антенне, которая служит облучателем параболического рефлектора, вибраторные излучатели запитаны торцом (другими словами, раскрывом) прямоугольного волновода. Вибраторы закреплены на металлической пластине, впаянной параллельно широкой стенке в раскрыв волновода посредине него. Пластина, будучи перпендикулярной поперечной составляющей напряжённости электрического поля доминантной волны ТЕ10 в раскрыве волновода, не участвует в излучении, так как оно формируется только вибраторами. При этом уравнять ширину главного лепестка диаграммы направленности в Е- и Н-плоскостях возможно только при четырёх закреплённых на пластине вибраторах.

Однако, практическая реализация такой ТАДВ сопряжена с конструктивно-технологическими трудностями, связанными с консольным креплением пластины к торцу волновода и с заметным числом вибраторов (их четыре). К тому же, главный лепесток диаграммы направленности ориентирован по оси волновода не в окружающее свободное пространство впереди него, а в противоположную сторону, другими словами, в сторону самого волновода. Это приводит к рассеиванию части энергии излучаемого сигнала за счёт диссипативных потерь в наружных поверхностях металлических стенок питающего волновода, идущего из глубины зеркала к облучающей его ТАДВ. Диссипативные потери возрастают пропорционально корню квадратному из частоты, так что в сантиметровом диапазоне волн их уровень может стать неприемлемым.

Кроме того, описанная ТАДВ плохо приспособлена для самостоятельного применения (то есть, без зеркального рефлектора) в составе аппаратуры системы самонаведения, расположенной в носовой части головки снаряда или ракеты, так как приёмо-передающие блоки смонтированы внутри ракеты за носовой частью. Поэтому излучение такой ТАДВ будет направлено в сторону идущего из глубины ракеты питающего волновода, то есть, в направлении, противоположном полёту ракеты.

Таким образом, ТАДВ, описанная в работе Г.Т. Марков, Д.М. Сазонов «Антенны», характеризуется при формировании главного лепестка диаграммы направленности с одинаковой угловой шириной в Е- и Н-плоскости невысокой технологичностью и невозможностью излучения по оси питающего волновода в направлении окружающего свободного пространства впереди него.

Известна также ТАДВ, описанная в патенте США № 4109254, H 01 Q 21/26, опубликованном 22.08.1978, озаглавленном “Dipole radiators for feeding a parabolic reflector”. Эта антенна служит облучателем параболического рефлектора и содержит полуволновый дипольный излучатель, окружённый стенками цилиндрического резонатора без верхней круглой крышки (см. Фиг. 1 и Фиг. 2 её описания). В результате формируется цилиндрическая чаша, на дне которой внутри смонтировано коаксиально-щелевое симметрирующее устройство, питаемое коаксиальным кабелем, проходящем в отверстии на дне чаши и идущем во вне за её пределы. Диаметр чаши приблизительно в три раза больше её глубины.

В случае линейной поляризации полуволновый диполь возвышается над дном чаши на высоту , где - длина волны излучаемого гармонического сигнала. Сама чаша имеет диаметр и глубину , так что диполь расположен в плоскости верхнего отверстия (другими словами, торца) чаши.

В случае круговой поляризации используются два скрещенных, ортогональных друг к другу, полуволновых диполя, запитанные со дна чаши двумя совмещёнными коаксиально-щелевыми симметрирующими устройствами в фазовой квадратуре (см. Фигуры 5 и 6 Описания упомянутого патента), формируя тем самым турникетную антенну внутри чаши. Несмотря на то, что описанная антенна как при линейной, так и при круговой поляризации формирует диаграмму направленности с приблизительно одинаковыми углами по уровню половинной мощности в главных плоскостях сечения, её питание осуществляется коаксиальным кабелем, закреплённом снаружи чаши. Адаптация такого питания к торцу стандартного волновода сопряжена со значительными конструктивно-компоновочными и технологическими трудностями из-за необходимости реализации в сантиметровом диапазоне узких продольных щелей в коаксиально-щелевом симметрирующем устройстве и креплении этого устройства на дне чаши, которая, в свою очередь, должна крепиться к торцу волновода. В самом деле, длина полуволновых диполей на нижней частотной границе сантиметрового диапазона (то есть, длина волны 10 см, частота 3 ГГц) составляет 50 мм, а длина внешнего проводящего цилиндра коаксиально-щелевого симметрирующего устройства должна быть порядка четверти длины рабочей волны, то есть, порядка 25 мм (см. вышеупомянутую работу Г.Т. Маркова, Д.М. Сазонова «Антенны», стр. 340, рис. 9-4). Именно в стенках этого цилиндра должны быть сначала профрезерованы две расположенные напротив друг друга продольные разомкнутые на верхнем торце цилиндра четвертьволновые щели, длиной 25 мм и шириной порядка 1 мм. Эти профрезерованные металлические цилиндры должны быть гальванически (например, пайкой) соединены с внутренней поверхностью дна чаши, а затем в них должны быть пропущены и должным образом закреплены диэлектрическими втулками внутренние цилиндрические проводники коаксиально-щелевого симметрирующего устройства, которые проходят за пределы чаши со стороны её дна сквозь заранее просверлённые отверстия в нём. С наружной стороны чаши оба этих проводника соединяются должным образом через СВЧ делитель мощности пополам с одним питающим коаксиальным кабелем.

Таким образом, ТАДВ, описанная в патенте США № 4109254, плохо приспособлена для формирования излучения по оси питающего волновода в направлении окружающего свободного пространства впереди него.

Известна также ТАДВ, описанная в патенте США № 4668956, H 01 Q 1/36, опубликованном 26.05.1987, озаглавленном “Broadband cup antennas”. Эта антенна содержит как один полуволновый диполь (для формирования линейно поляризованного излучения), так и два таких же диполя, расположенных перпендикулярно друг другу (для формирования круговой поляризации излучения). Как диполь, так и их пара, лежат в плоскости, параллельной дну цилиндрической металлической чаши. Эта плоскость удалена от дна на расстояние, равное практически глубине чаши, так что дипольные излучатели расположены почти в раскрыве чаши. При этом антенна содержит дополнительные отражающие элементы, расположенные между излучающими диполями и дном чаши, соединённые должным образом с коаксиальными узлами системы питания антенны. Как излучающие диполи, так и отражающие элементы выполнены сетчатыми из тонких проводников. Об этом свидетельствуют фигуры 1, 3, 7 и 9, а также строки 66-68 столбца 2 и строки 1-12 столбца 3 описания патента: “A pair of parasitic elements 32 and 34, made of a similar conductive wire mesh as the monopoles, are positioned below the monopoles and closely adjacent thereto. The elements 32 and 34 are also formed in a substantially short spiral pattern, and serve as capacitor elements providing an inverse reactance which is added to the reactance of the monopoles to achieve broadband operation. The parasitic elements 32 and 34 are connected to a conductive ring 38 which is disposed about the outer conductors of coaxial line 17. The conductive ring is electrically and physically connected to the inner ends of the conductive parasitic elements. An insulating material 40, such as Teflon, is disposed between the conductive ring 36 and the parallel legs 18a and 18b of the conductive coaxial line 17”.

В результате, такая антенна формирует диаграмму направленности, главный лепесток которой направлен по оси чаши и имеет практически одинаковую угловую ширину в Е- и Н-плоскостях, которые за период СВЧ колебания либо сохраняют свою ориентацию в пространстве (при линейной поляризации), либо совершают один оборот вокруг направления распространения вдоль оси чаши (при круговой поляризации). При этом роль симметрирующего устройства играет весьма громоздкая совокупность коаксиальных узлов, включая квадратурный направленный ответвитель 70 (в оригинале: quadrature hybrid coupler 70, - номер позиции 70 указан в соответствии с описанием патента) и отражающих сетчатых элементов, смонтированных в глубине чаши между излучателями и её дном согласно Формулы патента. Об этом свидетельствуют строки 17-46 столбца 4 его описания: “As illustrated in Fig. 8, an additional feed line 72 is supplied for the coaxial line55 constituting the coaxial outer conductors 56a and 56b and inner conductor 58, which are spaced at 90-degree intervals from the conductors of coaxial line 17. The monopoles are connected through conductive elements 44, 46, and 74, 76. A shorting element (not shown) similar to the shorting element 26 shown in Fig. 2 is also provided for the coaxial line 55. The two dipoles are connected to a utilization apparatus through an input coaxial line via a quadrature hybrid coupler 70 having two output lines 71 and 73 connected to the feed lines 42 and 72. A decoupling input port 68 is connected either to a matched termination or second utilization apparatus. The cup turnstile antenna affords a controllable uniform circularly polarized radiation patterns. By virtue of this invention, a cup dipole antenna and cup turnstile antenna are constructed without the need for impedance transformers for splitting coaxial lines to provide a balanced output from an unbalanced input. The balancing occurs within the antenna cup as a result of the novel assembly. The radiation patterns obtained with the antennas disclosed herein are relatively uniform and controllable. The configuration of the cup turnstile antenna also minimizes the cross-coupling effect between the coaxial lines. The short spiral type design of the monopoles effectively expands the bandwidth of the cup dipole antennas, and the parasitic elements substantially improve the bandwidth”.

Однако, несмотря на большую широкополосность такой антенны по сравнению с антенной по ранее упомянутому патенту США № 4109254, её питание по-прежнему осуществляется от коаксиального кабеля, идущего к антенне снизу дна чаши (см. фигуры 3, 7 и 8, а также соответствующие строки описания патента США № 4668956). Поэтому адаптация такого питания к торцу стандартного волновода сантиметрового диапазона представляется весьма проблематичной.

Таким образом, и эта ТАДВ плохо приспособлена для формирования излучения по оси питающего волновода в направлении окружающего свободного пространства впереди него.

Известна также ТАДВ, описанная в патенте США № 5748156, H 01 Q 3/00, опубликованном 05.05.1998, озаглавленном “High-performance antenna structure”. Эта антенна содержит дипольный излучатель, расположенный в раскрыве металлической чаши параллельно ему и запитанный системой соосных металлических и диэлектрических цилиндрических фрагментов, образующих вращающееся коаксиальное сочленение. Вращение дипольного излучателя осуществляется посредством этого сочленения исполнительным электродвигателем, ось которого совпадает с осью чаши. Антенна содержит также расположенную внутри чаши печатную плату, на которой монтируется предварительный усилитель на сосредоточенно-распределённых элементах, выход которого в режиме передачи должным образом питает дипольный излучатель через систему проводников, реализованную согласно Формулы этого патента. Об этом свидетельствуют фигуры 1, 2, 3 и строки 57-67 столбца 5, а также строки 1-6 столбца 6 описания патента: “In the preferred embodiment, C3 is a cylindrical sleeve of predetermined length, preferably substantially one quarter wavelength at the frequency of interest, and it terminates at an air gap 50 defined between its free end 51 and the back of the plate defining the back wall 18 of the cup 16. The conductor sleeve C2 which also has a preferred length of substantially one quarter wavelength at the frequency of interest terminates short of the plate 44 defining a second air gap 52. As shown in Fig. 2, C2 is the inner conductor for the outer conductor C3 in the assembled unit and together with C3 defines a coaxial transmission line for signals fed to the dipole array from the processing circuitry formed on the printed circuit board 40. At the same time, C2 is the outer conductor for the inner conductor C1. Considered together, C1, C2 and C3 define a rotary joint defined by a coaxial unbalanced transmission line for feeding the dipole array”. При этом вход усилителя подключён к стандартному коаксиальному разъёму, установленному сбоку вне чаши на вспомогательном пьедестале (см. фиг. 1 описания патента). Ясно, что если предварительный усилитель работает в режиме приёма, то к упомянутому коаксиальному разъёму подключён выход усилителя, а его вход запитан сигналом, снимаемым с клемм диполя через систему проводников вышеупомянутого вращающегося сочленения.

В результате антенна формирует осевое линейно поляризованное излучение, плоскость поляризации которого может иметь произвольную, зависящую от положения вала электродвигателя, ориентацию в пространстве. При этом ширина главного осевого лепестка диаграммы направленности имеет практически одинаковую угловую ширину по уровню половинной мощности в ортогональных друг к другу Е- и Н-плоскостях. И хотя в патенте упоминается о возможности использования волноводов (см. строки 51-56 столбца 4 описания) и о возможности применения этой антенны для приёма радиопередач со спутников на геостационарной орбите (см. строки 26-29 столбца 5 описания), какой-либо детализирующей информации, раскрывающей особенности заявленных перспектив при использовании волноводов сантиметрового диапазона, в упомянутом патенте не приводится.

В результате, фигура 1 описания этого патента не позволяет составить однозначное представление о том, каким образом в сантиметровом диапазоне волн запитать данную антенну торцом волновода, по оси которого должен быть реализован привод стороннего электродвигателя к вращающемуся соединению диполя так, чтобы не нарушать структуру электромагнитного поля доминантной волны волновода. Ибо любое нарушение структуры поля внутри волновода неизбежно приводит к заметному рассогласованию и, как следствие, к возрастанию его входного коэффициента отражения (по другой терминологии: его входного коэффициента стоячей волны) до неприемлемых значений.

Таким образом, и эта ТАДВ слабо приспособлена для формирования излучения с максимумом диаграммы направленности на оси питающего волновода в направлении окружающего свободного пространства впереди него.

Прототипом предлагаемого изобретения является выгодно отличающаяся от упомянутых ранее ТАДВ своей конструктивно-компоновочной однозначностью и весьма приемлемой технологичностью торцевая антенна, описанная в патенте США № 3740754, H 01 Q 21/26, опубликованном 19.06.1973 под названием “Broadband cup-dipole and cup-turnstile antennas”. Описание принципа действия этой антенны, смонтированной в глубине металлической чаши, включает в себя положения, которые характеризуют и конкретизируют заявляемую в этом патенте совокупность признаков в основном с точки зрения формирования электромагнитного излучения в окружающее свободное пространство. Все остальные факторы, включая реализацию симметрирующих устройств и коаксиальных мостов СВЧ, необходимых для реализации турникетной антенны, в описании этого патента не конкретизируются, так как считается, что они реализованы по классическим методикам того времени (начало 70-х годов) вне антенны и соединены с ней парой или четырьмя коаксиальными кабелями (см. фигуры 1 и 7 описания).

Сама антенна содержит цилиндрическую металлическую чашу с плоским дном, вблизи открытого торца которой параллельно ему расположены либо один дипольный излучатель, либо скрещённый турникетный, состоящий из двух идентичных диполей. Последние закреплены на жёстких металлических фиксирующих элементах, выполненных из трубчатых и сплошных цилиндрических заготовок, должным образом соединённых между собой согласно формулы упомянутого патента. В этих соединениях предусмотрены диэлектрические вставки, втулки, заполнения и зазоры, формирующие вместе с металлическими трубками и цилиндрами (предварительно как трубки, так и цилиндры механически формуются) встроенную в чашу достаточно компактную систему, которая, будучи соединённой с внешними (серийно выпускаемыми в то время в США) узлами посредством коаксиальных кабелей, возбуждает дипольные излучатели так, что антенна формирует излучение, максимум диаграммы направленности которого лежит на оси чаши. Об этом свидетельствуют фигуры 1, 2, 3 и 4, а также строки 13-30 столбца 2 описания этого патента: “In accordance with this invention, monopole elements 15a and 15b are energized by coaxial feed lines 21 and 22, respectively, which are connected through a lumped-circuit impedance transformer 24 to an external standard coaxial input line 25 linking the antenna assembly to utilization apparatus R such as a receiver. Impedance transformer 24 is of the type having a pair of anti-phase outputs and is a commercially available component; this transformer serves to excite monopole elements 15a and 15b in the manner of a center-fed dipole and also transforms the average inherent impedance of the antenna from its relatively high value to the value of the characteristic impedance of coaxial input line 25. For example, the average antenna impedance may be approximately 150 ohms and that of the coaxial input line 25 may be 50 ohms. In this case, for the reason described hereafter, the characteristic impedance of each of coaxial lines 21 and 22 is preferably 75 ohms”. При этом угловая ширина главного лепестка диаграммы направленности в Е- и Н-плоскостях примерно одинакова (см. строки 7-9 столбца 1 описания: “The cup-dipole antenna is well known in the art for its equality of radiation patterns in the electric (E) and magnetic (H) planes”).

Однако, питание описанной антенны осуществляется коаксиальными кабелями и внешними периферийными серийно выпускаемыми в то время СВЧ устройствами, такими как трансформатор сопротивлений 24 (строка 19 столбца 2 описания) и 3-децибельный квадратурный направленный ответвитель 41 (строка 48 столбца 4 описания). При этом каждое из периферийных устройств имеет несколько (от двух для трансформатора до четырёх для ответвителя) коаксиальных разъёмов-розеток, а сами кабели заканчиваются кабельными вилками для надёжного электрического соединения с розетками. И если в низкочастотной части дециметрового диапазона ещё можно смириться с присущими этим узлам диссипативными потерями, то уже в сантиметровом диапазоне, когда диссипативные потери возрастают пропорционально квадратному корню из частоты, уровень этих потерь становится неприемлемым. К тому же, неоднородности в зонах сочленения коаксиальных пар «вилка-розетка» в сантиметровом диапазоне начинают играть всё более негативную роль, так как габариты/размеры коаксиальных пар уменьшаются, а допуски на размеры и требования к шероховатости внутренних поверхностей этих пар ужесточаются. Последнее определяется качеством металлообрабатывающих станков/центров предприятий, серийно выпускающих периферийные узлы для широкого применения в аппаратуре различного назначения, что может привести к неприемлемой стоимости производства ТАДВ согласно упомянутого патента-прототипа.

Таким образом, и эта ТАДВ практически не приспособлена для формирования в сантиметровом диапазоне излучения по оси питающего волновода в направлении окружающего свободного пространства впереди него.

Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является создание в сантиметровом диапазоне волн торцевой антенны дипольного вида с одинаковой шириной главного лепестка диаграммы направленности в Е- и Н-плоскостях, направленного по оси питающего волновода в направлении окружающего свободного пространства впереди него.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известную торцевую антенну дипольного вида, содержащую цилиндрическую металлическую чашу с плоским дном, тонкой боковой цилиндрической стенкой и открытым торцом, расположенный вне чаши параллельно плоскости торца вблизи него излучатель, состоящий из двух идентичных вытянутых коллинеарных тонких цилиндрических сплошных излучающих проводников, длина которых не превышает радиус чаши, пару ортогональных дну отрезков идентичных коаксиальных линий, длина которых превышает глубину чаши, состоящих из трубчатых наружных и сплошных внутренних проводников, при этом глубинные концы наружных проводников отрезков соединены гальванически с плоским дном, глубинные концы внутренних проводников отрезков проходят сквозь дно чаши через круглые отверстия в нём, диаметр которых равен внутреннему диаметру трубчатых наружных проводников, дополнительно введены отрезок работающего на доминантной волне ТЕ11 круглого волновода, диаметр которого меньше диаметра чаши, и два идентичных соосных разомкнутых кольцевых проводника, диаметр которых не превышает радиус круглого волновода, при этом наружная сторона дна чаши соединена гальванически с одним из торцов круглого волновода так, что ось чаши не совпадает с осью круглого волновода, отрезки идентичных коаксиальных линий разнесены относительно оси волновода в противоположные стороны вдоль линии, проходящей через ось волновода параллельно проходящей внутри волновода вблизи дна чаши поперечной составляющей напряжённости магнитного поля доминантной волны ТЕ11, глубинные концы внутренних сплошных проводников упомянутых отрезков, проходящие внутрь круглого волновода сквозь отверстия в дне чаши, гальванически соединены с одноимёнными концами разомкнутых кольцевых проводников, общая ось которых параллельна линии разнесения отрезков коаксиальных линий и отстоит внутри волновода от наружной стороны дна чаши на расстоянии равном 1,25 их радиуса, одноимённые концы цилиндрических коллинеарных излучающих проводников гальванически соединены с внешними концами внутренних сплошных проводников упомянутых отрезков коаксиальных линий, при этом длина излучающих проводников равна 0,9 расстояния между осями разнесённых отрезков коаксиальных линий, внешние концы наружных трубчатых проводников которых разомкнуты, а второй торец круглого волновода является входом/выходом антенны.

На фиг. 1 изображена предлагаемая ТАДВ, где показано расположение основных элементов как внутри, так и в раскрыве чаши; на фиг. 2 приведён эскиз предлагаемой ТАДВ с частично удалённым дном чаши и полностью удалённой её боковой цилиндрической стенкой, отражающий внутреннюю структуру и соединения проводящих фрагментов антенны, причём наружная поверхность дна чаши, ориентированная внутрь волновода, окрашена тёмно-серым цветом, а внутренняя поверхность самого волновода - светло-серым цветом; на фиг. 3 изображены (без соблюдения масштаба, но с сохранением пропорций фрагментов) разомкнутый кольцевой проводник, глубинные концы трубчатого наружного и сплошного внутреннего проводников отрезка коаксиальной линии, а также сечения замкнутых силовых линий магнитного поля доминантной волны ТЕ11 круглого волновода; на фиг. 4 показан эскиз возможного варианта исполнения ТАДВ в головной части системы самонаведения; на фиг. 5 представлено продольное сечение ТАДВ плоскостью, проходящей через ось одного из отрезков коаксиальной линии; на фиг. 6 показано продольное сечение ТАДВ плоскостью, проходящей через оси обоих отрезков коаксиальной линии; на фиг. 7 представлена частотная характеристика входного коэффициента стоячей волны ТАДВ; на фиг. 8 изображены диаграммы направленности ТАДВ.

Предлагаемая ТАДВ (фиг. 1) содержит цилиндрическую металлическую чашу 1 с плоским тонким дном 2, тонкой боковой цилиндрической стенкой 3 и открытым торцом. Вне чаши параллельно плоскости торца вблизи него расположен излучатель, состоящий из двух идентичных вытянутых коллинеарных тонких цилиндрических сплошных излучающих проводников 4 и 5, длина которых не превышает радиус чаши. При этом плоскость открытого торца параллельна плоскости , ось которой совпадает с осью коллинеарных излучающих проводников 4 и 5, а само начало соответствующей декартовой системы координат () лежит посредине между смежными концами этих проводников. Внутри чаши 1 расположена пара ортогональных дну 2 отрезков идентичных коаксиальных линий 6 и 7, длина которых превышает глубину чаши 1 (фиг. 1). Каждый из отрезков 6 и 7 состоит из трубчатых наружных 8, 9 и сплошных внутренних 10, 11 проводников соответственно (фиг. 2). В состав ТАДВ входит также отрезок 12 работающего на доминантной волне ТЕ11 круглого волновода, диаметр которого меньше диаметра чаши. При этом ось волновода не совпадает с осью декартовой системы координат (), хотя проходит через ось и отстоит от начала координат на расстояние (фиг. 1, фиг. 2). При этом целесообразно подчеркнуть, что на фиг. 1 для лучшей наглядности ось декартовой системы координат, уходящая через дно 2 вглубь волновода 12, изображена внутри него штриховой линией, а ось самого волновода 12 изображена внутри него штрих-пунктирной линией. В самой же чаше 1 и вне её открытого торца обе оси изображены сплошными линиями (фиг. 1).

Внутри волновода 12 расположены два идентичных соосных разомкнутых кольцевых проводника 13 и 14, ось которых параллельна оси декартовой системы координат и расположена под ней внутри волновода на расстоянии от плоского тонкого дна 2 чаши 1 (фиг. 2; здесь условно не показаны боковая стенка 3 полностью и дно 2 частично, - оно изображено лишь в пределах торца волновода 12). Сами идентичные разомкнутые кольцевые проводники 13 и 14 выполнены из провода, радиус которого равен радиусу сплошных внутренних проводников 10 и 11 отрезков идентичных коаксиальных линий 6 и 7 (фиг. 2, фиг. 3). При этом на фиг. 3 (с соблюдением пропорций, но не в масштабе) изображено продольное сечение предлагаемой ТАДВ плоскостью, проходящей через ось внутреннего проводника 10 отрезка коаксиальной линии 6 перпендикулярно обеим параллельным осям, находящимся друг под другом: как оси , так и оси , причём в позиции 15 (небольшим маркером в кружочке) показана проекция общей оси соосных разомкнутых кольцевых проводников 13 и 14, направленной к читателю из плоскости чертежа (то есть, «к нам»). В то же время, большими маркерами без кружочков в позициях 16 обозначены направления проходящих внутри волновода 12 в области дна 2 поперечных составляющих магнитного поля доминантной волны ТЕ11, ориентированных из плоскости чертежа также «к нам». В результате отрезки 6, 7 идентичных коаксиальных линий (отрезок 7, параллельный отрезку 6, на фиг. 3 не показан, так как он не попадает в плоскость упомянутого продольного сечения) разнесены относительно оси круглого волновода 12 в противоположные стороны (фиг. 1) вдоль линии «а»-«а», проходящей через ось волновода 12 параллельно поперечной составляющей напряжённости магнитного поля его доминантной волны ТЕ11 вблизи дна 2 чаши 1.

Для лучшего восприятия принципа действия антенны (см. далее) целесообразно подчеркнуть, что силовые линии магнитного поля волны ТЕ11 круглого волновода имеют внутри него форму вытянутых замкнутых петель, о чём свидетельствует работа: Н.Н. Фёдоров, «Основы электродинамики», М.: «Высшая школа», 1965 год, параграф 17.4, рис. 17.6. Поэтому на фиг. 3 линиями со стрелками (позиции 17) показаны видимые части этих петель за плоскостью кольцевого проводника 14 (чтобы не усложнять фиг. 3, показаны лишь пять таких частей), причём направления стрелок 17 соответствуют тому факту, что силовые линии 17, находясь в волноводе 12 вблизи дна 2 чаши 1 за плоскостью кольцевого проводника 14, весьма быстро изменяют своё направление и далее ориентируются вдоль оси 15 коллинеарных кольцевых проводников 13 14, становясь направленными вблизи дна 2 к читателю (то есть, «к нам») и, следовательно, перпендикулярными к вышеупомянутой секущей плоскости, совпадающей с плоскостью кольцевого проводника 14. В глубине волновода эти силовые линии направлены от читателя, что отражено на фиг. 3 крестиками (позиции 18) в начале стрелок 17, находящихся за секущей плоскостью. Целесообразно также отметить, что направления силовых линий магнитного поля доминантной волны ТЕ11 меняются через половину её длины в волноводе, что также отражено на фиг. 3 стрелками обратного направления (позиции 19; эти стрелки/(силовые линии) расположены также за секущей плоскостью), исходящими из крестиков второй петли магнитного поля волны ТЕ11. Иными словами, на отрезке вдоль оси волновода укладываются две замкнутых петли силовых линий магнитного поля.

В результате такой компоновки элементов антенны силовые линии магнитного поля волны ТЕ11 перпендикулярны обеим параллельным плоскостям идентичных коллинеарных разомкнутых кольцевых проводников 13 и 14, имеющих радиус , отсчитываемый от центров кольцевых проводников (фиг. 3, позиция 15) до средней линии провода разомкнутого кольца. Размыкание кольцевых проводников 13 и 14 реализовано за счёт отсутствия части проволочного кольца на участке вдоль средней линии кольца от оси волновода по часовой стрелке (фиг. 3).

Вышеперечисленные элементы ТАДВ соединены следующим образом.

Наружная сторона дна 2 чаши 1 (фиг. 1) соединена гальванически (например, пайкой или сваркой) с одним из торцов круглого волновода 12. Глубинные по отношению к чаше 1 концы 20 и 21 трубчатых наружных проводников 8 и 9 соответственно (фиг. 2) соединены гальванически (также пайкой или сваркой) с внутренней поверхностью плоского дна 2 чаши 1, в котором предварительно были выполнены в требуемом месте отверстия, диаметр которых равен внутреннему диаметру трубчатых наружных проводников 8 и 9. В свою очередь, глубинные концы 22 и 23 соответственно внутренних сплошных проводников 10 и 11, проходящие внутрь волновода 12 сквозь отверстия в дне 2 чаши 1, гальванически соединены с одноимёнными концами соответствующих разомкнутых кольцевых проводников 14 и 13 (фиг. 2, фиг. 3, где во избежание недоразумений целесообразно подчеркнуть, что соответствие позиций именно такое, как записано выше: проводник 10, его конец 22, кольцевой проводник 14). Здесь целесообразно подчеркнуть, что термин «одноимённые концы» предыдущего предложения означает тот факт, что эти концы лежат на продольных осях внутренних сплошных проводников 10 и 11, чтобы гальванические соединения с их соответствующими концами 22 и 23 были реализованы. При этом общая ось кольцевых проводников 13 и 14, которая параллельна линии «а»-«а» разнесения отрезков коаксиальных линий 6 и 7, отстоит внутри волновода от наружной стороны дна 2 чаши 1 на расстоянии , равном 1,25 их радиуса (фиг. 3): . Одноимённые концы 24 и 25 идентичных коллинеарных излучающих проводников 4 и 5 (фиг. 2, на этой фигуре одноимённые концы являются левыми у обоих вытянутых тонких цилиндрических сплошных проводников 4 и 5) гальванически соединены с внешними концами внутренних сплошных проводников 10 и 11 соответственно, причём длина излучающих проводников 4 и 5 равна 0,9 расстояния между осями разнесённых отрезков коаксиальных линий 6 и 7 (фиг. 2): . Внешние концы 26 и 27 наружных трубчатых проводников 8 и 9 этих отрезков 6 и 7 разомкнуты, то есть находятся в режиме «холостого хода» (ни с чем не соединены).

Входом предлагаемой ТАДВ при работе на передачу или её выходом при работе на приём является второй торец круглого волновода 12, который для этих целей оснащается соответствующим коаксиально-волноводным адаптером или круглым фланцем (адаптер/фланец на фигурах 1, 2 и 3 условно не показан) для подключения к приёмо-передающей аппаратуре, в том числе при использовании в головных частях снарядов и ракет с самонаведением. В последнем случае передняя часть цилиндрического металлического корпуса снаряда/ракеты, прикрытая в носовой части радиопрозрачным коническим обтекателем, выполняет роль тонкой боковой цилиндрической стенки 3 чаши 1 предлагаемой ТАДВ, что иллюстрируется фигурой 4, на которой для наглядности дно 2 чаши 1 условно показано только в пределах торца круглого волновода 12.

Принцип действия предлагаемой ТАДВ состоит в следующем.

Пусть от источника гармонических СВЧ колебаний сантиметрового диапазона волн через коаксиально-волноводный адаптер, который на фигурах 1 - 4 условно не показан, в круглый волновод 12 подаётся сигнал с частотой , амплитуда которого остаётся неизменной в некоторой полосе частот :

, (1)

где - амплитуда гармонического колебания,

- время,

- начальная фаза колебания,

- текущая частота, ,

- нижняя и верхняя границы частотного диапазона.

Если радиус волновода 12 выбран из условия [см. вышеупомянутую работу Н.Н. Фёдорова, параграф 17.4, стр. 223, формула (17.27)]

, (2)

где - длина волны, соответствующая текущей частоте,

- внутренний радиус волновода 12,

- скорость света в свободном пространстве, окружающем волновод,

то при соответствующей структуре адаптера внутри волновода 12 возбуждается доминантная волна ТЕ11, структура силовых линий магнитного поля которой соответствует фигуре 3 (позиции 16, 17, 18 и 19). Если волновод 12 заполнен средой, параметры которой совпадают с окружающим свободным пространством (например, воздух), то длина доминантной волны ТЕ11 внутри волновода 12 определяется как [см. вышеупомянутую работу Н.Н. Фёдорова, параграф 17.4, стр. 223, формула (17.23 «штрих»), параграф 19.4, стр. 247-248]:

, (3)

где - длина доминантной волны внутри волновода 12,

- критическая длина доминантной волны ТЕ11.

В результате поперечные силовые линии 16 магнитного поля доминантной волны ТЕ11 вблизи дна 2 чаши 1 внутри волновода 12 пронизывают плоскость разомкнутого кольцевого проводника 14 будучи к ней перпендикулярными (фиг. 3). Поскольку интенсивность магнитного поля и направление его силовых линий меняется во времени циклически с частотой , то согласно закону Ампера это поле индуцирует на поверхности (но не в объёме вследствие «скин-эффекта» на частотах сантиметрового диапазона) кольцевого проводника 14 ток проводимости , направление которого подчиняется правилу «буравчика» и показано на фиг. 5 для того момента времени, когда, в отличие от фиг. 3, поперечные составляющие силовых линий 28 магнитного поля направлены «от нас» в плоскость чертежа. Этот поверхностный ток практически без потерь переходит (другими словами: продолжает далее течь) на поверхность глубинного конца 22 внутреннего проводника 10 отрезка 6 коаксиальной линии, так как конец 22 гальванически соединён с кольцевым проводником 14. Далее этот поверхностный ток протекает по поверхности внутреннего проводника 10 отрезка 6 коаксиальной линии и поступает в точку гальванического соединения конца 24 излучающего проводника 4 и внешнего конца внутреннего проводника 10 отрезка 6 (фиг. 5). Вследствие упомянутых гальванических соединений гармонический во времени поверхностный ток проводимости продолжает течь теперь уже по поверхности излучающего проводника 4. Комплексная амплитуда этого тока (фиг. 5) в какой-то мере отличается от комплексной амплитуды тока кольцевого проводника 14, так как из-за неоднородностей в зонах вышеупомянутых гальванических соединений, а также вследствие произвольного выбора (иными словами: выбора без настройки/регулировки предлагаемой ТАДВ) волнового сопротивления отрезка 6 коаксиальной линии, возникают заметные отражения половины сигнала [формируемого согласно формулы (1)], приходящейся на один из двух идентичных разомкнутых кольцевых проводников 13 и 14. Эти нежелательные отражения сводятся к минимуму за счёт оптимального выбора геометрических размеров и электрических параметров ключевых элементов ТАДВ (иными словами: за счёт правильной настройки ТАДВ, см.. далее). При этом следует подчеркнуть, что излучающий проводник 4 изображён на фиг. 5 для наглядности (то есть, условно) под углом к сплошному внутреннему проводнику 10 отрезка 6, хотя на самом деле излучающий проводник 4 должен быть перпендикулярен плоскости чертежа фигуры 5.

Подчёркнутая особенность условной прорисовки на фиг. 5 проводника 4 устранена на фиг. 6, где изображены оба идентичных излучающих проводника 4 и 5 с соответствующими элементами, причём плоскости соответствующих разомкнутых кольцевых проводников 14 и 13 теперь не видны, так как их «серповидные» формы проецируются в короткие сплошные объекты «б14»-«б14» и «б13»-«б13» соответственно, окрашенные в тёмно-серый цвет. При этом как излучающие проводники 4 и 5, так и соответствующие им разомкнутые кольцевые проводники 14 и 13 идентичны, и также идентичны отрезки 6 и 7 коаксиальных линий, когда равны их волновые сопротивления и , то есть: . В то же время, поперечные участки симметричных относительно оси волновода силовых линий 29 магнитного поля волны ТЕ11 вблизи дна 2 чаши 1 (фиг. 6) пронизывают плоскости обоих идентичных разомкнутых кольцевых проводников 13 и 14, которые расположены также симметрично относительно оси волновода. Поэтому комплексные амплитуды и гармонических поверхностных токов проводимости (фиг. 6)

, , (4)

которые несут на свей поверхности излучающие проводники 4 и 5, будут равны:

, (5)

где - амплитуды поверхностных токов проводимости,

- их начальные фазы,

а комплексные амплитуды определяются как:

, . (6)

Таким образом, излучатель предлагаемой ТАДВ, состоящий из двух идентичных тонких коллинеарных сплошных излучающих проводников 4 и 5, питается двумя равными синфазными поверхностными токами (4) соответственно. Эти токи распределяются по цилиндрической поверхности проводников 4 и 5 так, что возбуждаемое ими в окружающем свободном пространстве электромагнитное поле удовлетворяет уравнениям Максвелла, о чём свидетельствуют материалы, относящиеся к произвольным тонким проволочным антеннам, включая классические диполи, опубликованные в работе: Г.Т. Марков, Д.М. Сазонов, «Антенны», М.: «Энергия», 1975 год, глава 2, стр. 49, третий абзац. Кроме того, токи (4) должны подчиняться граничным условиям на проводниках 4 и 5, согласно которым амплитуды и токов на находящихся под потенциалом мощности доминантной волны ТЕ11 волновода 12 одноимённых концах 24 и 25 излучающих проводников 4 и 5 соответственно должны быть равны, то есть: . В то же время амплитуды токов на обоих одноимённых разомкнутых противоположных концах проводников 4 и 5 должны быть равны нулю. Пренебрегая согласно вышеупомянутой работе Г.Т. Маркова, Д.М. Сазонова «Антенны», глава 2 величиной расстояния между смежными концами излучающих проводников 4 и 5 в области начала декартовых координат по сравнению с их длиной , можно записать следующие координатные граничные условия для гармонических токов (4):

, , (7)

, , (8)

где амплитуда токов на концах 24 и 25 проводников 4 и 5.

Согласно вышеупомянутой работы Г.Т. Маркова, Д.М. Сазонова «Антенны», стр. 50, второй абзац, функции распределения и поверхностных электрических токов (4) вдоль продольной координаты (фиг. 2) заранее неизвестны и должны быть определены в ходе решения так называемой внутренней задачи для предлагаемой ТАДВ. После нахождения распределения токов определяется напряжённость электрического поля

(9)

в произвольной точке окружающего пространства, затем форма диаграммы направленности и входное комплексное сопротивление антенны, что составляет сущность внешней задачи для предлагаемой ТАДВ.

Поскольку излучающие проводники 4 и 5 являются тонкими (то есть, их радиус ), то токи и создают в произвольной точке окружающего антенну пространства векторный потенциал , у которого значимой/существенной является только продольная составляющая :

, (10)

где - есть продольная составляющая векторного потенциала,

- орт оси декартовой системы координат (фиг. 2).

По известному потенциалу (10) находится продольная составляющая напряжённости электрического поля (9), которая на поверхности излучающих проводников 4 и 5 (где ), будучи одновременно тангенциальной/касательной составляющей, согласно вышеупомянутой работы Г.Т. Маркова, Д.М. Сазонова «Антенны», глава 2, должна быть равна нулю:

, (11)

где - электрическая и магнитная постоянные вакуума соответственно,

- относительная диэлектрическая и магнитная проницаемости окружающего антенну пространства,

- круговая частота гармонического сигнала доминантной волны ТЕ11 круглого волновода 12 [фиг. 2, формула (1)],

- радиус тонких цилиндрических излучающих проводников 4 и 5 ().

В свою очередь, векторный потенциал (10) связан согласно вышеупомянутой работе Г.Т. Маркова, Д.М. Сазонова «Антенны», раздел 2, с поверхностной плотностью [размерность этой поверхностной плотности: (ампер/метр)] электрических токов на боковых цилиндрических поверхностях тонких сплошных проводников 4 и 5 соотношением:

, (12)

где - длина радиуса-вектора произвольной точки наблюдения , иными словами: расстояние от начала декартовых координат до точки наблюдения,

- есть полный продольный поверхностный ток на излучающих проводниках 4 и 5, причём интегрирование вдоль проводников ведётся по «штрихованной» координате , совпадающей с осью .

После подстановки (12) в (11) и ряда преобразований, включая возвращение от «штрихованной» координаты к «нештрихованной» согласно методике, описанной в работе Г.Н. Кочержевский, «Антенно-фидерные устройства», М.: «Связь», 1972 год, 472 стр., илл., можно записать следующее дифференциальное уравнение относительно неизвестного пока ещё тока , распределённого вдоль оси тонких излучающих проводников 4 и 5 (фиг. 2):

, (13)

где - волновое число свободного пространства, окружающего предлагаемую ТАДВ.

Записанное уравнение (13) является в то же время частным случаем однородного линейного дифференциального уравнения произвольного -ого порядка:

, (14)

где , , , , индексы в верхних круглых скобках означают номер производной, например: - вторая производная, - сама функция без производной.

При этом считается, что как первая, так и вторая производные тока, а также сама функция тока непрерывны на отрезке . Как известно из курса высшей математики, фундаментальное решение общего уравнения (14) формируется из линейной комбинации любых линейно независимых частных решений. Это решение принято формировать по методу Эйлера, согласно которому при имеем:

, (15)

где и - пока ещё произвольные постоянные,

и - функции, определяемые корнями характеристического уравнения

, (16)

что даёт: и .

В результате общее решение дифференциального уравнения (13) относительно тока проводимости, текущего по оси весьма тонких (в пределе: бесконечно тонких или «нитевидных») излучающих проводников 4 и 5 (фиг. 2) записывается как:

.

После наложения на это уравнение граничных условий (7) и (8) находятся постоянные и , что приводит к следующему выражению для «нитевидного» тока проводимости

, , (17)

а также позволяет приступить к решению внешней задачи, в ходе которого будет найдено уравнение диаграммы направленности для предлагаемой ТАДВ (фиг. 1), характеризующей электромагнитное поле в произвольной точке наблюдения, находящейся в дальней зоне Фраунгофера, где .

Процедура формирования уравнения для диаграммы направленности предлагаемой ТАДВ (фиг. 1) аналогична той, что описана в вышеупомянутой работе Г.Т. Маркова, Д.М. Сазонова «Антенны», разделы 2-3, 2-4, стр. 57-64, с той разницей, что вместо уравнения (2-19) для тока классического диполя в этой работе, ниже используется уравнение (17) для тока предлагаемой ТАДВ. В результате после соответствующих преобразований, включая двукратное интегрирование по частям, искомая диаграмма направленности определяется как:

,

,

, (18)

где угол отсчитывается от оси .

Полученный результат свидетельствует о том, что диаграмма направленности уединённого излучателя, состоящего из двух идентичных тонких излучающих проводников 4 и 5 в отсутствие чаши 1, является объёмным тором с максимумами, лежащими в плоскости магнитного вектора Н. По оси лучение отсутствует, а во всех остальных направлениях оно является линейно поляризованным: плоскость поляризации, в которой лежит вектор напряжённости электрического поля Е, проходит через точку наблюдения дальней зоны Фраунгофера и ось проводников 4 и 5. Таким образом, сечение объёмной диаграммы направленности в форме тора уединённого излучателя из проводников 4 и 5 в отсутствие чаши 1 любой плоскостью поляризации (другими словами: любой плоскостью электрического вектора Е, - таких плоскостей бесчисленное множество) представляет собой «восьмёрку», максимумы которой лежат на оси (фиг. 1). В то же время, сечение тора единственной плоскостью магнитного вектора Н представляет собой круг, то есть, уединённый излучатель из проводников 4 и 5 без чаши 1 является всенаправленным.

Однако, присутствие чаши 1 существенно изменяет форму диаграммы направленности (21): она становится однонаправленной с единственным максимумом, лежащим на оси в её положительном направлении (фиг. 1), причём подбором геометрических размеров (иными словами: за счёт настройки) ТАДВ можно обеспечить одинаковую ширину главного лепестка диаграммы направленности в вышеуказанных Е- и Н-плоскостях. Максимум главного лепестка будет направлен по оси питающего волновода 12 в окружающее свободное пространство впереди него. При этом целесообразно подчеркнуть, что, глядя из произвольной точки дальней зоны Фраунгофера (где ), совершенно невозможно даже разглядеть антенну, не говоря уже о том, чтобы различить между собой оси декартовой системы и круглого волновода 12. Для примера достаточно представить себе ситуацию, когда расстояние от предлагаемой ТАДВ сантиметрового диапазона до точки наблюдения в дальней зоне составляет порядка двух-трёх километров. Иными словами, для всех точек наблюдения в дальней зоне Фраунгофера и, следовательно, для всех диаграмм направленности, расстоянием между осями и (фиг. 2) можно пренебречь, то есть, диаграммы направленности инвариантны относительно этого расстояния.

Иная ситуация складывается в ближней зоне Френеля, где, согласно вышеупомянутой работе Г.Т. Маркова, Д.М. Сазонова «Антенны», параграф 1-2, стр. 24, третий абзац, электромагнитное поле носит сложный характер и при его расчёте необходимо пользоваться строгими соотношениями электродинамики. В ближней зоне в общем случае присутствуют все компоненты поля и их зависимость от расстояния носит нерегулярный характер. В ближней зоне любой излучающей системы, в том числе предлагаемой ТАДВ, всегда находится некоторый запас электромагнитной энергии. При этом происходит колебательный процесс [с частотой сигнала (1)] обмена реактивной мощностью между пространством зоны Френеля и излучателем, состоящем из излучающих проводников 4 и 5 (фиг. 1). В этой зоне векторы напряжённостей создаваемых излучающими проводниками 4 и 5 электрического Е и магнитного Н полей не находятся в фазе (см. вышеупомянутую работу Г.Т. Маркова, Д.М. Сазонова, стр. 74) и излучаемая ТАДВ мощность получается комплексной. Комплексным будет и входной импеданс ТАДВ, который должен быть согласован с вещественным характеристическим сопротивлением круглого волновода 12 за счёт подбора геометрических размеров фрагментов ТАДВ и электрических параметров её ключевых элементов, например, таких как волновые сопротивления идентичных отрезков коаксиальных линий 6 и 7 (фиг. 1, фиг. 2).

В результате вышеупомянутый запас электромагнитной энергии в зоне Френеля затрудняет хорошее согласование входа ТАДВ с источником сигнала в полосе частот. Аналитическая формулировка задачи согласования и её последующая алгоритмизация для расчётов на ЭВМ возможны в относительно простых случаях , в частности, когда источник сигнала (1) сосредоточен в зазоре между смежными концами излучающих проводников 4 и 5. В предлагаемой же ТАДВ источник сигнала сначала возбуждает через адаптер волновод 12, затем электромагнитное поле доминантной волны ТЕ11 индуцирует поверхностные токи на разомкнутых кольцевых проводниках 13 и 14, и далее на излучающих проводниках 4 и 5 (фиг. 2). Поэтому подбор геометрических размеров фрагментов предлагаемой ТАДВ и определение её оптимальных электрических параметров (иными словами: настройка ТАДВ) целесообразно реализовать в системе трёхмерного электродинамического моделирования за счёт встроенного в неё нелинейного оптимизатора геометрических и электрических параметров. Ниже используется система “WIPL-D”, свободно продававшаяся ранее на рынке в виде приложения на компакт-диске к работе B.M. Kolundzija, J.S. Ognjanovic, T.K. Sarkar “WIPL-D: microwave circuit and 3D EM simulation for RF & microwave applications. Software and user’s manual”, Norwood, MA, Artech House, 2005, 400 pages.

Процедура оптимизации (настройки) предлагаемой ТАДВ (фиг. 1) в системе “WIPL-D” продолжалась до тех пор, пока входной коэффициент стоячей волны коаксиально-волноводного адаптера не снизился ниже уровня 1,5: . При этом были достигнуты/найдены следующие вышеупомянутые параметры (в Омах) и геометрические размеры (в миллиметрах), указанные на фигурах 1....6:

(19)

Совокупность этих параметров обеспечивает хорошее согласование и одновременно практически одинаковую ширину главного лепестка диаграммы направленности в Е- и Н-плоскостях, направленного по оси питающего волновода 12 в направлении окружающего свободного пространства впереди него.

Для экспериментального подтверждения результатов решения поставленной задачи был изготовлен опытный образец предлагаемой ТАДВ с вышеприведёнными параметрами (19). Антенна питалась коаксиальным кабелем РК-75-7-22 с волновым сопротивлением 75 Ом через коаксиально-волноводный штыревой адаптер, который был рассчитан и изготовлен в соответствии со стандартной методикой, описанной в работе: под ред. Д.И. Воскресенского, «Антенны и устройства СВЧ. Расчёт и проектирование антенных решёток и их излучающих элементов», М.: «Советское радио», 1972 год, параграф 8.5 «Возбуждение антенны», стр. 229-231. Входной (фиг. 7, позиция 30) измерен с использованием генератора «качающейся частоты» ГКЧ-57 и индикатора Я2Р-67. Диаграммы направленности ТАДВ измерены по критериям дальней зоны Фраунгофера в безэховых условиях антенной лаборатории с применением стандартных методик калибровки и измерений с использованием вышеупомянутого генератора, микровольтметра-усилителя «В6-4» и поворотных устройств по азимуту и углу места с точностью установки углов 1 градус. После компьютерной обработки результатов измерений на фиг. 8 построены соответствующие диаграммы направленности (позиция 31 представляет диаграмму в Е-плоскости, а позиция 32 - для Н-плоскости), угловая ширина которых по уровню половинной мощности примерно одинакова.

Этому обстоятельству, наряду с волноводом 12 и чашей 1 (фиг. 1), в значительной мере способствовало то, что, в отличие от прототипа, где тонкие излучающие проводники каждого излучателя названы «монополями», образующими классический центрально-питаемый диполь (center-fed dipole, см. строку 22 столбца 2 описания прототипа), в предлагаемой ТАДВ излучающие проводники 4 и 5 образуют другой излучатель. А именно: здесь проводники 4 и 5 формируют излучатель дипольного вида (то есть, внешне и конструктивно весьма похожий на центрально-питаемый диполь, но не диполь всё же), который питается двумя равными синфазными гармоническими токами и соответственно (если синфазны токи, то синфазны и напряжения, их создающие), которые подводятся к одноимённым (левым на фиг. 6) концам 24 и 25 соответственно. При этом конец 25 проводника 5 является смежным по отношению к проводнику 4, а конец 24 проводника 4 - удалённым по отношению к проводнику 5. В результате, в предлагаемой ТАДВ используется центрально-концевое питание излучателя дипольного вида равными синфазными токами, в то время как в прототипе применяется классический центрально-питаемый диполь, возбуждаемый на центральных смежных концах (center-fed dipole) двумя равными по модулю, но противофазными токами.

Таким образом, представленные результаты свидетельствуют о решении поставленной задачи: создание в сантиметровом диапазоне волн более технологичной торцевой антенны дипольного вида с одинаковой шириной главного лепестка диаграммы направленности в Е- и Н-плоскостях, направленного по оси питающего волновода в направлении окружающего свободного пространства впереди него.

Указанные обстоятельства в совокупности позволяют рекомендовать предлагаемую ТАДВ для использования в перспективных стационарных, мобильных и ракетных радиотехнических системах сантиметрового диапазона с линейной поляризацией излучаемых/принимаемых радиосигналов.

Торцевая антенна дипольного вида, содержащая цилиндрическую металлическую чашу с плоским дном, тонкой боковой цилиндрической стенкой и открытым торцом, расположенный вне чаши параллельно плоскости торца вблизи него излучатель, состоящий из двух идентичных вытянутых коллинеарных тонких цилиндрических сплошных излучающих проводников, длина которых не превышает радиус чаши, пару ортогональных дну отрезков идентичных коаксиальных линий, длина которых превышает глубину чаши, состоящих из трубчатых наружных и сплошных внутренних проводников, при этом глубинные концы наружных проводников отрезков соединены гальванически с плоским дном, глубинные концы внутренних проводников отрезков проходят сквозь дно чаши через круглые отверстия в нём, диаметр которых равен внутреннему диаметру трубчатых наружных проводников, отличающаяся тем, что в неё дополнительно введены отрезок работающего на доминантной волне ТЕ11 круглого волновода, диаметр которого меньше диаметра чаши, и два идентичных соосных разомкнутых кольцевых проводника, диаметр которых не превышает радиус круглого волновода, при этом наружная сторона дна чаши соединена гальванически с одним из торцов круглого волновода так, что ось чаши не совпадает с осью круглого волновода, отрезки идентичных коаксиальных линий разнесены относительно оси волновода в противоположные стороны вдоль линии, проходящей через ось волновода параллельно проходящей внутри волновода вблизи дна чаши поперечной составляющей напряжённости магнитного поля доминантной волны ТЕ11, глубинные концы внутренних сплошных проводников упомянутых отрезков, проходящие внутрь круглого волновода сквозь отверстия в дне чаши, гальванически соединены с одноимёнными концами разомкнутых кольцевых проводников, общая ось которых параллельна линии разнесения отрезков коаксиальных линий и отстоит внутри волновода от наружной стороны дна чаши на расстоянии, равном 1,25 их радиуса, одноимённые концы цилиндрических коллинеарных излучающих проводников гальванически соединены с внешними концами внутренних сплошных проводников упомянутых отрезков коаксиальных линий, при этом длина излучающих проводников равна 0,9 расстояния между осями разнесённых отрезков коаксиальных линий, внешние концы наружных трубчатых проводников которых разомкнуты, а второй торец круглого волновода является входом/выходом антенны.