АНТЕННАЯ СИСТЕМА Российский патент 1996 года по МПК H01Q9/18 

Изобретение относится к антеннам и может быть использовано для построения антенных систем с электрически короткими излучателями особенно в диапазоне средних, длинных и сверхдлинных волн.

Известна антенна [1] представляющая собой антенную систему, состоящую из ряда параллельных цилиндрических излучателей, внутри которых проходят центральные проводники, причем верхний конец каждого нечетного по счету излучателя соединен с верхним концом центрального проводника, выходящего из последующего четного излучателя, и наоборот. Таким же образом соединены нижние концы каждого четного излучателя и выходящего из него центрального проводника с соответствующими нижними концами и центральными проводниками каждого последующего нечетного излучателя. При этом за счет перекрещивания проводников достигаются однонаправленность излучающего тока и увеличение сопротивления излучения при малых линейных размерах излучателя.

Недостатком данной антенной системы является то, что распределение тока вдоль электрически коротких излучателей имеет форму трапеции. Кроме того, общая длина таких излучателей не превышает четверть длины рабочей волны, что уменьшает достижимое сопротивление излучения антенны.

Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является сверхдлинноволновая система с малой высотой [2] состоящая из генератора, настроечных реактивных сопротивлений, ряда параллельных полых металлических цилиндрических излучателей, внутри которых проходят центральные проводники, верхние концы которых соединены с горизонтальной частью. В данной системе в качестве излучателей используются излучатели, включенные по схеме верхнего питания. При этом излучающий ток распределен по излучателю практически равномерно, что увеличивает сопротивление излучения.

Недостатком данной антенной системы является то, что при работе на сверхнизких частотах для получения приемлемой полосы пропускания и КПД остается необходимость использования относительно высоких излучателей.

Задачей изобретения является расширение полосы пропускания антенной системы и повышение КПД.

Данная задача решается за счет того, что антенная система содержит генератор, настроечные реактивные сопротивления, ряд параллельных наружных металлических цилиндров, внутри которых проходят центральные проводники, верхними концами соединенные с горизонтальными проводами, дополнительные металлические цилиндры, расположенные между каждым наружным металлическим цилиндром и центральным проводником, и устройства настройки и фазирования, причем каждый дополнительный металлический цилиндр в совокупности с центральным проводником, горизонтальными проводами и наружным металлическим цилиндром образуют соответствующие излучатели, входами которых являются изолированные от земли нижние концы наружных цилиндров, а выходами изолированные от земли нижние концы центральных проводников, при этом верхний конец каждого дополнительного цилиндра соединен с верхним концом соответствующего наружного цилиндра, горизонтальные провода излучателей изолированы друг от друга, нижние концы дополнительных цилиндров заземлены, генератор подключен к входу первого излучателя, в каждом излучателе параллельно его входу, а также параллельно выходу последнего излучателя включены настроечные реактивные сопротивления, вход каждого устройства фазирования соединен с выходом предыдущего излучателя, а выход с входом последующего излучателя.

Если для расчета электрически коротких излучателей принять модель длинной линии с распределенными потерями, обусловленными излучением, то для расчета активной составляющей входного сопротивления антенной системы, взятой за прототип, в верхней точке можно пользоваться следующей формулой:
R_вх W x Re(cth(gH)), где W волновое сопротивление излучателя;
g комплексный коэффициент распространения;
H высота излучателя,
g a + i x b, где a коэффициент затухания;
b коэффициент фазы.

Данная формула верна для случая, когда на конце излучателя пучность тока.

Из вышеизложенного следует, что в первом приближении
a n² x a₁, где а₁ коэффициент затухания одиночного излучателя той же высоты;
n число излучателей.

Очевидно, что в предлагаемой антенной системе при соблюдении синфазности питания излучателей при том же количестве элементов n коэффициент затухания в каждом излучателе тоже равен а.

С другой стороны, в качестве эквивалентной схемы предлагаемой антенной системы при соответствующей настройке устройств настройки и фазирования и правильном выборе настроечных элементов можно выбрать линию с тем же, что и в прототипе, коэффициентом затухания, но длиной n x H. Этим и обуславливается значительный выигрыш в сопротивлении излучения, полосе и КПД в предлагаемой антенной системе по сравнению с прототипом.

На чертеже представлена принципиальная схема антенной системы с тремя излучателями.

Антенная система содержит генератор 1, настроечные реактивные сопротивления 5-8, ряд параллельных полых наружных металлических цилиндров 2, 3 и 4, внутри которых проходят центральные проводники 15, 16 и 17, верхние концы которых соединены с горизонтальными проводами 12, 13 и 14, дополнительные металлические цилиндры 9, 10 и 11, расположенные между каждым наружным металлическим цилиндром 2, 3, 4 и центральным проводником 15, 16, 17, и устройства 18 и 19 настройки и фазирования.

Каждый дополнительный металлический цилиндр 9, 10, 11 в совокупности с центральными проводниками 15, 16, 17, горизонтальными проводами 12, 13, 14 и наружными металлическими цилиндрами 2, 3, 4 образуют соответствующие излучатели 20, 21, 22, входами которых являются изолированные от земли нижние концы наружных металлических цилиндров, а выходами изолированные от земли нижние концы центральных проводников. Верхний конец каждого дополнительного цилиндра соединен с верхним торцом соответствующего наружного цилиндра, горизонтальные провода излучателей изолированы друг от друга, нижние концы дополнительных цилиндров заземлены. Генератор 1 подключен к входу первого излучателя, в каждом излучателе между его входом и нижним концом дополнительного цилиндра, а также параллельно выходу последнего излучателя включены настроечные реактивные сопротивления 5-8. Вход каждого устройства фазирования соединен с выходом предыдущего излучателя, а выход с входом последующего излучателя.

Устройства 18 и 19 настройки и фазирования (УНФ) включают в себя, например, удлиняющие или укорачивающие фазирующие элементы, выполненные на основе длинных линий или элементов со сосредоточенными параметрами, а также настроечные реактивные сопротивления, включенные последовательно с вышеуказанными элементами. Конструктивно данные элементы могут входить в состав фазирующих элементов. Реактивные сопротивления 5, 6, 7 служат для компенсации входного сопротивления коаксиальных короткозамкнутых линий, образованных цилиндрами 2 и 9, 3 и 10, 4 и 11.

Ниже дано описание работы антенной системы из трех излучателей, однако все рассуждения распространяются и на систему из N излучателей.

Антенная система работает следующим образом.

Излучающий ток I₁, создаваемый генератором 1, проходит по наружной поверхности наружного цилиндра 2, затекает внутрь цилиндра 9 и попадает на землю. Далее путь тока следующий: земля емкость горизонтального провода 12 центральный проводник 15 потенциальная клемма входа УНФ поверхность наружного цилиндра 3 внутренняя поверхность цилиндра 10 земля емкость горизонтального провода 13 центральный проводник 16 потенциальная клемма УНФ 19 выходная потенциальная клемма УНФ наружная поверхность наружного цилиндра 4 внутренняя поверхность цилиндра 11 земля заземленная клемма входа УФН 19 земля заземленная клемма УНФ 18 земля заземленная клемма генератора 1.

Таким образом, из вышеизложенного видно, что излучающий ток, затухая, проходит последовательно через все излучатели, наружные цилиндры 2, 3, 4. Все излучатели включены по схеме Брауна (Пистолькорс А.А. Антенны, М. Связьиздат, 1947, с. 280, рис. 5.3.8), когда между горизонтальными проводами и верхним концом излучателя включено реактивное сопротивление, равное по величине и противоположенное по знаку величине емкостного сопротивления горизонтальных проводов относительно земли. В описываемой антенне в качестве данного реактивного сопротивления используется входное сопротивление коаксиальной линии образованной центральным проводником и внутренним цилиндром (на чертеже это 9 и 15, 10 и 16, 11 и 17), нагруженной на другом конце на входное сопротивление соответствующего устройства настройки и фазирования. В последнем излучателе 22 для этой цели служит реактивное сопротивление 8. В заданном режиме пучность излучающего тока в последнем излучателе находится на верхнем конце наружного цилиндра. При электрически коротких излучателях распределение тока по их поверхностям почти равномерно. Устройства настройки и фазирования производят трансформацию входного сопротивления каждого последующего излучающего элемента в такую величину, чтобы обеспечить пучность тока в верхней точке каждого предыдущего излучателя. Устройство настройки и фазирования также производит компенсацию фазового набега излучающего тока между входами соседних излучающих элементов, а также дополнительную компенсацию.

Сущность изобретения: параллельные излучатели 20, 21, 22 антенной системы состоят из наружных металлических цилиндров 2, 3, 4, центральных проводников 15, 16, 17, снабженных на верхних концах горизонтальными проводниками 12, 13, 14, и металлических цилиндров 9, 10, 11, расположенных между наружными металлическими цилиндрами и центральными проводниками. Верхние концы цилиндров 2, 3, 4 и цилиндров 9, 10, 11 соединены попарно между собой. Нижние концы цилиндров 9, 10, 11 заземлены, а нижние концы цилиндров 2, 3, 4 изолированы от земли и являются входами излучателей. К входу первого излучателя 20 подключен генератор 1. Выходами излучателей являются изолированные от земли нижние концы центральных проводников. Между излучателями включены устройства 18, 19 настройки и фазирования. Параллельно входам излучателей и параллельно выходу последнего излучателя 22 включены настроечные реактивные сопротивления 5, 6, 7, 8. 1 ил.

АНТЕННАЯ СИСТЕМА, содержащая генератор, настроечные реактивные сопротивления, ряд параллельных излучателей, каждый из которых состоит из наружного металлического цилиндра, в котором размещен центральный проводник, снабженный на верхнем конце горизонтальным проводником, отличающаяся тем, что в каждый излучатель введен дополнительный металлический цилиндр, расположенный между наружным металлическим цилиндром и центральным проводником, причем верхние концы этих цилиндров соединены между собой, а нижний конец дополнительного металлического цилиндра заземлен в каждом излучателе, нижние концы наружного металлического цилиндра и центрального проводника изолированы от Земли и представляют собой соответственно вход и выход излучателя, горизонтальные проводники излучателей изолированы один от другого, кроме того, введены устройства настройки и фазирования, вход каждого из которых соединен с выходом предыдущего излучателя, а выход - с входом последующего, генератор подключен к входу первого излучателя, а настроечные реактивные сопротивления включены параллельно входам излучателей и параллельно выходу последнего излучателя.